Оценка величины воздействия. Концентрация, доза, экспозиция

Анализ и оценка влияния факторов среды на здоровье населения основаны на получении количественных мер воздействия и установлении их соотношений с биологическими эффектами, что является достаточно сложной задачей. В течение последних 10-15 лет исследователи с различных точек зрения подходят к указанной проблеме. Многие ситуации требуют участия многодисциплинарной команды специалистов.

Исследование воздействия начинается с идентификации загрязнителей и выяснения их влияния на организм человека. Затем следует описание движения загрязнителей в воздухе, воде, почве и их аккумуляции в окружающей среде. Для этого пользуются разнообразными методами, один из которых — моделирование. Моделирование может дать адекватные результаты лишь при наличии объективных исходных данных. Информация об основных характеристиках среды и здоровья, необходимая при планировании исследований и опреде­лении зависимостей «экспозиция—ответ» или «доза—ответ», поступает от токсикологов, эпидемиологов, а также врачей других специально­стей. Поступающие из различных источников данные часто трудно сопоставить друг с другом, выяснить причинно-следственные связи.

Моделирование индивидуальной и популяционной экспозиции проводится с целью связать эти подходы, используя параметры и характеристики, полученные специалистами одной или более дисциплин. Модели «экспозиция—доза—эффект» последовательно соотносят величину экспозиции с интенсивностью абсорбции, концентрацией вещества в тканях, их реакциями и степенью повреждения.

Виды информации, параметры и характеристики, используемые при построении подобных моделей, представлены в табл. 3.4.

Концепция последовательного анализа процессов, происходящих при действии агента на организм человека, начиная от источника загрязнения до его примерного или точного эффекта, является основой исследования «экспозиция—доза—эффект». На рис. 3.2 приведена блок-схема исследования, основанного на одиночном пути воздействия. В случае общей экспозиции схема несколько усложнится и может включать много путей. Каждый путь аддитивно и синергически вносит свой вклад в соотношение «экспозиция—доза—ответ».

Рис. 3.2. Блок-схема процессов и характеристик воздействия химического вещества на здоровье человека

Рассмотренная блок-схема фактически отражает взаимосвязь количественных характеристик, применяемых для оценки воздействия факторов среды на здоровье человека. Верхняя цепочка характеризует величину воздействия и его изменение в пространстве и времени, то есть это характеристики окружающей среды. Только последний квадрат

Таблица 3.4

Моделирование процесса (экспозиция – доза - ответ)

1. Параметры, необходимые для определения экспозиции и внутренней дозы

А. Путь проникновения, концентрации, интенсивности 1. Воздух 2. Вода 3. Почва 4. Пища Б. Частота контакта и скорость 1. Ингаляция 2. Проникновение через кожу 3. Проглатывание (прием внутрь) В. Внутреннее разделение 1. Проникновение в легкие и абсорбция 2. Кожная абсорбция 3. Желудочно-кишечная абсорбция 4. Выведение (элиминация)

II. Определение загрязнителей для моделирования

А. Определение токсических загрязнителей и реальных контактов человека Б. Исследования на животных 1. Доза (масса или масса/кг веса тела) 2. Заниженная высокая скорость дозы (масса/время) включая экстраполяцию от низкой к высокой дозе 3. Ответ ткани 4. Реверсивные и нереверсивные эффекты

III. Параметры, касающиеся загрязнителей

А. Диффузия в сторону цели Б. Циркуляция в теле загрязнителей В. Реакция и/или метаболизм Г. Хранение в тканях Д. Выделение (половина времени жизни в тканях) Е. Разделение жидкость—поверхность Ж. Разделение поверхность—ткань З. Повреждение ткани (величина повреждения, скорость восстановления)

характеризует взаимодействие фактора и человека и зависит от его длительности. Нижняя цепочка состоит из характеристик, отражающих результат этого взаимодействия в количественном виде. Чем дальше продвигаемся мы по цепочке, тем более точно оценивается это воздействие. Как уже было сказано, первой приблизительной, но реальной в практическом отношении оценкой является экспозиция, а наиболее точно отражает ситуацию величина эффективной дозы. Однако чтобы получить значение последней, необходимо провести комплексные исследования, требующие больших затрат, и знать не только набор показателей, перечисленных в табл. 3.4, но также ряд характеристик самого организма.

Многие задачи требуют применения подобных количественных исследований, к ним относится оценка и управление рисками влияния окружающей среды на здоровье населения.

Количественные меры риска основаны на оценках таких общеизвестных величин, как концентрация, экспозиция и доза. Напомним их определения.

Концентрация — это количество вещества в единице массы или объема раствора, смеси.

Экспозиция имеет разные определения в зависимости от вида воздействия:

а) экспозиция — это произведение потока энергии (при световом, звуковом и т. п. воздействиях) через единицу поверхности на время воздействия; математически это можно записать так:

E = ,

где t— продолжительность воздействия; S — площадь воздействия; F— поток энергии:

F =

где W — энергия.

б) экспозиция при воздействии агента (например, вредного вещества, газа и пр.) определяется как контакт загрязнителя(ей) определенной концентрации с организмом человека (через рот, нос, кожу и др.) в течение некоторого времени; математически это записывается так:

,

где Е — экспозиция; С(t) — концентрация загрязнителя; t — время экспозиции человека, изменяющееся от момента t₁ до t_2.

На практике используются численные приближения данной формулы в виде сумм по отдельным промежуткам времени, когда концентрация считается постоянной.

При этом важны три компоненты экспозиции, связанные со здоровьем:

• величина воздействия (какова концентрация загрязнителя или интенсивность воздействия?);

• длительность (как долго длится экспозиция?);

• частота (как часто возникает экспозиция?).

Величина — важный параметр экспозиции, так как концентрация часто предполагается прямо пропорциональной дозе и пропорциональной риску ухудшения здоровья. Но экспозиция имеет еще одну компоненту — время. Важно определить длительность воздействия. Риск для здоровья, например, при экспозиции с данной концентрацией в течение 5 минут будет явно другой, чем при экспозиции с той же концентрацией, длящейся около часа. Аналогичное воздействие на здоровье может оказать и частота экспозиции.

Подчеркнем, что экспозиция требует одновременного наличия двух событий: присутствия агента риска (например, потока энергии или концентрации загрязнителя) в определенном месте и времени и присутствия человека в этом же месте в данное время.

Имеется важное различие между концентрацией и экспозицией.

Концентрация — это физическая характеристика окружающей среды в определенном месте и времени, в то время как экспозиция описывает взаимодействие между окружающей средой и живым субъектом.

Различие между экспозицией и дозой также важно. Как установлено выше, экспозиция оценивается в точке контакта между телом и внешней средой.

Доза — это количество загрязнителя, которое уже пересекло одну из границ тела и достигло данной ткани или органа.

Разницу между экспозицией и дозой можно показать на примере двух людей: один — малоподвижный, другой — очень активный находятся в комнате, где концентрация загрязнителя постоянна. Оба имеют одну и ту же номинальную экспозицию. Из-за быстрого и глубокого дыхания действительная доза загрязнителя, которая достигнет ткани легких, больше у активного субъекта, чем у неподвижного.

При рассмотрении вопросов, связанных с дозой, необходимо иметь в виду несколько особенностей. Существует несколько понятий дозы. Различают: биологически эффективную дозу, или интегрированную дозу, потенциальную дозу и внутреннюю дозу.

Биологически эффективная доза связана с сопротивлением организма воздействию. Если, например, вредное вещество легко выводится из организма, то эффективная доза будет минимальной. Она используется для подсчета количества загрязнителя (или метаболита), который реагирует с клеточными макромолекулами и влияет на изменение физиологических функций.

Биологически эффективную дозу, или, как ее еще называют, интегрированную дозу, можно математически записать так:

D =

где f (х) — частота контакта; g(a₁) — переменная, зависящая от органа или системы, находящихся под воздействием, и их биологической доступности, влияющей на степень абсорбции ( a₁); q(a₂, r, m, e) – переменная, зависящая от природы ассимиляции загрязнителя (a₂), восстановление клеток или повреждения (r ), выделения (е) и метаболизма (m).

Из этого наиболее общего определения следуют другие. Все упомянутые выше дозы могут быть подсчитаны из предыдущего уравнения для Апологической эффективной дозы с некоторыми предположениями.

Так, для внутренней дозы предполагается, что q = 1 и скорость абсорбции или адсорбции определяет g. Действительные величины внутренней дозы могут быть оценены из измерений загрязнителя: метаболитов или других составляющих в клетках, тканях и жидкостях. При­мерами индикаторов, которые могут быть использованы для получения внутренней дозы, являются органические эфиры при дыхании, меченые элементы в крови и многочисленные метаболиты в моче. Для подсчета внутренней дозы (D₁) переменные, использованные для g(a₁), требуют знания величин отложений в легких, абсорбции через эпидермальные слои кожи или другие пути экспозиции. Форма уравнения будет:

D₁ (t) =

Когда количество вещества, воздействующего или абсорбированного органом, не установлено, то предполагается, что загрязнитель на 100% всасывается или поглощается (g = 1, q = 1). При этом предположении получаем потенциальную дозу:

D_p = f(x) = CR

где D_p — это потенциальная доза, ее единицы измерения — мг или мг/кг;

f(x) = CR — частота контакта, которая оценивается для каждого пути входа в единицах объема поверхности или в массе за единицу времени (т. е. объем/время — для ингаляции; масса/время — для приема внутрь; область/время — для дермальной экспозиции).

Наиболее точными формулами для оценки воздействия являются выражения для вычисления биологически эффективной или внутренней дозы, но можно использовать и потенциальную дозу, которая фактически совпадает с экспозицией.

Заметим, что когда речь идет о воздействии агента на здоровье человека, то необходимо определить пути его проникновения в организм человека. Нужно учитывать и то, что воздействие может происходить по нескольким путям: через кожу, дыхательные пути и т.д.

До сих пор речь шла все время об индивидуальной экспозиции.

Для решения задач оценки здоровья популяции важна популяционная экспозиция. Измерить экспозицию каждого члена группы можно достаточно редко. В то же время необходимо знать распределение индивидуальных. Обычно включают измерение центральной тенденции (например, средней экспозиции) и ее вариабельности (например, вариации). Однако точная и статистически достоверная характеристика даже этих простых параметров популяционной экспозиции может потребовать многих персональных измерений экспозиции.

Верхний хвост распределения часто имеет особый интерес, так как он представляет собой сегмент, где популяция имеет экспозицию для каждого индивидуума выше, чем среднюю. Определение типов людей, которые находятся под особо высокими экспозициями, может быть критичным для оценки риска здоровья. Это особенно важно, если зависимости между дозой загрязнения и результирующими эффектами сильно нелинейны. Обычно для точной оценки хвоста распределения требуется гораздо больше персональных измерений, чем для оценки средней экспозиции и вариации.

Риск ухудшения здоровья популяции можно определить через величину экспозиции следующим образом:

R = E · e · N,

где R — риск ухудшения здоровья популяции; Е — экспозиция при вредном воздействии; е — фактор потенциала при воздействии данного вещества на организм человека; N — число людей, находившихся пол воздействием.

Как уже отмечалось, когда речь идет об оценке риска влиянии факторов среды на здоровье людей, то безусловное преимущество имеют формулы для биологически эффективной или внутренней дозы, но не всегда имеются данные для таких расчетов, и в этих случаях пользуются оценками экспозиции, которая рассматривается как потенциальная доза.

Необходимо отметить также, что правила и нормативы обычно направлены на снижение экспозиции, а не дозы, поэтому для регламентирующих органов экспозиция представляет больший практический интерес.

Количественные исследования могут проводиться с целью идентификации популяций с наибольшим риском, определения нормы для всей популяции или изучения длительных эффектов уменьшения или увеличения воздействия путем мониторирования отдельных групп или всей популяции.

Наиболее реальной в практическом отношении величиной, которую можно измерить не только для отдельных лиц, но и для достаточно большой популяции, является экспозиция.