Органические суперэкотоксиканты (диоксины, бенза пирен, ДДТ): источники рассеивания в природных средах, перенос по пищевым цепям, количественные оценки риска угрозы здоровью людей

Содержание
Введение
1. Органические суперэкотоксиканты:
понятие, характеристика, источники распространения
1.1. Общая характеристика органических суперэкотоксикантов
1.1.1. Диоксины
1.1.2. Бензапирен
1.1.3. ДДТ
1.2. Основные источники суперэкотоксикантов
1.3. Пути рассеивания суперэкотоксикантов в природных средах, перенос по пищевым цепям
Выводы по главе 1
2. Оценка риска угрозы здоровью людей
2.1. Частость дополнительного риска
2.2. Соотношение между дозой загрязнителя и откликом на нее
2.2.1. Модель оценки риска, использующая распределение Вейбулла-Гнеденко
2.2.2. Линейно-квадратичная модель оценки риска
2.2.3. Гипотеза о линейной связи между дозой и откликом
2.3. Способы выражения фактора риска
2.4. Оценка допустимых для населения концентраций загрязнителей по заданному значению допустимого риска
Выводы по главе 2
Заключение
Список литературы

Органические суперэкотоксиканты (диоксины, бенза пирен, ДДТ): источники рассеивания в природных средах, перенос по пищевым цепям, количественные оценки риска угрозы здоровью людей

Пример 1. С целью оценки вредных воздействий некоторого токсического вещества проводились наблюдения за двумя группами, каждая из которых насчитывала по 100 чел. В контрольной группе выявлено 5 патологических случаев, а в группе лиц, подвергавшихся действию токсиканта, наблюдались 10 случаев такой же патологии. Найти частость дополнительного риска, вызванного данным веществом.
В данном примере Nt = Nc = 100, Ec = 5, Et = 10. Сначала надо определить частости qt и qc: qt = Et /Nt = 10/100 = 0,1; qc = Ec /Nc = 5/100 = 0,05. Искомая частость qe вычисляется по формуле (2.2):
qе=(qt-qc)/(1-qc)=(0,1-0,05)/(1-0,05)=0,053.
Иногда в качестве значений qc могут быть использованы величины, полученные в результате статистической обработки больших массивов данных. Например, если оценке подлежит риск,связанный с конкретным воздействием некоторого канцерогенного вещества на город или регион, то можно использовать результаты наблюдений над населением этого города или региона.
2.2. Соотношение между дозой загрязнителя и откликом на нее
2.2.1. Модель оценки риска, использующая распределение Вейбулла-Гнеденко
Распределение Вейбулла-Гнеденко описывается выражением
F(x) = 1 -, (2.3)
где а и b — положительные параметры.
При изучении влияния токсического вещества на здоровье людей роль независимой переменной величины играет доза этого вещества D. Функция qe(D) моделирует зависимость «доза – отклик» и дает оценку частости риска, привносимого токсикантом:
qe(D) = 1 -. (2.4)
Выражение (2.4) можно линеаризовать двойным логарифмированием:
ln[-ln(1-qe(D)] = lna + blnD. (2.5)
Эта зависимость может использоваться в качестве уравнения линейной регрессии. Его параметры a и b можно найти, если есть по крайней мере две пары значений, полученных при токсикологических (экспериментальных) исследованиях. Если было установлено, что значению D1 соответствует частость qe,1, а величине D2 — частость qe,2, то коэффициенты уравнения линейной регрессии вычисляются по формулам:
b = ln[–ln(1–qe,2)] – ln[–ln(1 – qe,1)]}/ln(D2/D1), (2.6)
a = -ln(1- qe,1)/D1b или a = -ln(1- qe,2)/D2b. (2.7)
Зная коэффициенты a и b, можно определить дозу токсиканта, соответствующую частости обусловленного им риска, преобразовав выражение (2.3):
D = [–ln(1–qe)]/a}1/b. (2.8)
Пример 2. В процессе выявления профессионального риска, связанного с воздействием некоторого токсиканта, фиксировались случаи патологических изменений в двух группах персонала, испытавших разные дозовые нагрузки. Первая группа риска насчитывала 100 человек, каждый из которых получил малую дозу токсиканта - 0,1 мг. В этой группе было отмечено 13 случаев патологии, в то время как число ожидавшихся случаев этой патологии предполагалось равным 8. Во второй группе риска было 120 человек, каждый из них получил дозу, равную 2,0 мг. Число патологических нарушений, зафиксированных в этой группе, составило 32 против 10 ожидавшихся. Требуется определить коэффициенты зависимости (2.4) и найти дозу, при которой частость дополнительного риска равна 0,1.
В данной задаче Nt,1 = 100, D1 = 0,1 мг, Nt,2 = 120, D2 = 2,0 мг, Et,1 = 13, Eс,1 = 8, E t,2 = 32, E с,2 = 10. Условия задачи позволяют вычислить частости дополнительного риска для каждой из исследованных групп:
qe,1 =(qt,1- qc,1)/(1- qc,1)=[(E t,1/Nt,1)-(Eс,1 /Nt,1)]/(1- E с,1 /Nt,1) =
= [(13/100)-(8/100)]/(1-8/100) = 0,05 ,
qe,2=(qt,2- qc,2)/(1- qc,2)=[(E t,2/Nt,2)-(E с,2/Nt,2)]/(1- E с,2/Nt,2) =
= [(32/120)-(10/120)]/(1-10/120) = 0,2.
Так как имеются две точки для линии регрессии, то коэффициенты выражения (2.4) вычисляются по формулам (2.6) и (2.7):
b=ln[ln(10,2)]ln[ln(10,05)]/ln(2/0,1)=0,49 ,
a = ln(1 0,05)/(0,1)0,49 = 0,15.
Таким образом, в рассмотренном случае зависимость между дозой токсиканта и реакцией на нее в виде избыточного риска можно представить следующим выражением:
qe(D) = 1 .
Можно сказать, что в результате решения данной задачи проведено моделирование воздействия токсиканта на основе использования распределения Вейбулла-Гнеденко. Теперь, чтобы получить значение дозы при установленной величине частости риска 0,1, надо применить формулу (2.8):
D = [ln(1  0,1)]/0,151/0,49 = 0,48 мг.
2.2.2. Линейно-квадратичная модель оценки риска
Линейно-квадратичная модель использует следующий вид связи между дозой токсиканта и откликом на нее:
qe = aD + bD2. (2.9)
Eсли имеются две пары значений, полученных в результате предварительных (экспериментальных) исследований, то нетрудно найти коэффициенты a и b. Пусть значению D1 соответствует частость qe,1, а величине D2 - частость qe,2, тогда эти коэффициенты вычисляются по формулам:
b = (qe,1/ D1 qe,2/ D2)/( D1 D2),
a = (qe,1 b D12)/ D1 или a = (qe,2 b D22)/ D2 . (2.10)
Величина дозы, соответствующая значению частости риска qe, находится из квадратного уравнения, следующего из выражения (2.9):
bD2 + aD – qe = 0 ,
D = ( a  )/2b. (2.11)
Пример 3. В процессе выявления профессионального риска, связанного с воздействием некоторого токсиканта, фиксировались случаи патологических изменений в двух группах персонала, испытавших разные дозовые нагрузки. Первая группа риска насчитывала 100 человек, каждый из которых получил дозу токсиканта, равную 0,1 мг. В этой группе было отмечено 11 случаев патологии, в то время как число ожидавшихся случаев этой патологии предполагалось равным 9. Во второй группе риска было 80 человек, каждый из них получил дозу, равную 0,5 мг. Число патологических нарушений, зафиксированных в этой группе, составило 18 против 10 ожидавшихся. Требуется определить коэффициенты зависимости (2.4) и найти дозу, при которой частость дополнительного риска равна 0,1.
В данной задаче Nt,1 = 100, D1 = 0,1 мг, Nt,2 = 80, D2 = 0,5 мг, Et,1 = 11, Eс,1 = 9, E t,2 = 18, E с,2 = 10. Условия задачи позволяют вычислить частости дополнительного риска для каждой из исследованных групп:
qe,1 =(qt,1- qc,1)/(1- qc,1)=[(E t,1/Nt,1)-(Eс,1 /Nt,1)]/(1- E с,1 /Nt,1) =
= [(11/100)-(9/100)]/(1-9/100) = 0,022,
qe,2=(qt,2- qc,2)/(1- qc,2)=[(E t,2/Nt,2)-(E с,2/Nt,2)]/(1- E с,2/Nt,2) =
= [(18/80)-(10/80)]/(1-10/80) = 0,114.
Коэффициенты b и a определяются с помощью выражений (2.10):
b = [0,022/0,1  0,114)/ 0,5]/(0,1  0,5) = 0,02,
a = (0,022  0,020,01)/0,1 = 0,22.
Следовательно, линейно-квадратичная модель зависимости частости риска от дозы в данном случае имеет вид:
qe = 0,22D + 0,02D2.
Значение дозы, соответствующее заданной частости риска qe = 0,1, вычисляется по (2.11):
D = [–0,22  ] / (2·104),
D1 = 0,42 мг, D2 = –11,5 мг.
Квадратное уравнение дает два решения, второе из них надлежит отбросить, поскольку доза не может быть отрицательной. Таким образом, искомое значение дозы D = 0,42 мг.
Линейно-квадратичная модель зависимости частоcти риска от дозы значительно меняется при малых и больших значениях D. При малых дозах снижается вклад квадратичного слагаемого (если a > 0 и b > 0), и уравнение (2.9) может быть представлено в линейной форме:
qe = a D .
При больших дозах уравнение (2.9) приводит к завышенным результатам, это можно скорректировать введением экспоненциального сомножителя:
qe = (aD + bD2). (2.12)
Полученная зависимость называется линейно-квадратично-экспоненциальной (модель ЛКЭ). Коэффициенты с и d, как и коэффициенты a и b, находятся из экспериментальных исследований. Для этого приходится решать систему из четырех уравнений, что требует применения компьютера.
Модель ЛКЭ используется для описания зависимости между дозой токсиканта и вызванными ею последствиями (гибель клеток, хромосомные изменения, появление злокачественных новообразований и т.д.). При малых дозах справедлива линейная модель, с увеличением дозы становится существенным вклад квадратичного члена, а при еще больших значениях дозы количество наблюдаемых негативных эффектов снижается. Это объясняется тем, что при таких дозах многие клетки погибают и, следовательно, не участвуют в продуцировании фиксируемых последствий. Экспоненциальный сомножитель отражает количество клеток, еще оставшихся живыми после получения данной дозы излучения. Сначала начинает сказываться линейная часть экспоненциального спада, а затем и квадратичная.
2.2.3. Гипотеза о линейном характере связи между дозой и откликом
Если величина дозы загрязнителя находится в пределах изученного интервала значений (в процессе установления зависимости «доза – отклик»), то использование полученной модели является оправданным. В случае же доз, величины которых меньше нижнего предела исследованных значений, приходится проводить экстраполяцию. При этом предполагается, что в области малых доз соотношение между дозой и реакцией на нее является линейным. Кроме того, считается, что действие загрязнителя не имеет порога. На самом деле это далеко не всегда можно считать корректным. Предположение об отсутствии порога приводит к некоторому завышению эффектов и риска, это делается сознательно для перестраховки рассчитываемых оценок.
Таким образом, гипотеза о линейном и беспороговом характере зависимости «доза – отклик» в области малых (субэкспериментальных) значений порога позволяет оценивать дополнительную частость риска с помощью простого соотношения:
qe = Fr  D = Fr  c  v t, (2.13)
где Fr - фактор риска, выражаемый в мг1, который показывает дополнительную частость, отнесенную к единице дозы. Величину Fr можно получить, например, путем деления частости риска qe, мин, соответствующей минимальной исследованной дозе (нижней границе изучавшегося интервала значений доз), на величину минимальной из исследованных доз Dмин:
Fr = qe, мин/Dмин . (2.14)
Пример 4. В питьевой воде по месту проживания некоторой семьи определена концентрация загрязнителя, равная 3 мкг/л. В процессе экспериментальных наблюдений над его действием установлено, что наименьшей из изученных доз Dмин = 200 мг соответствует частость риска qe, мин, равная 0,1. Эксперименты проводились с животными в течение периода времени, составившего 0,3 их средней продолжительности жизни. Как оценить дополнительный риск, которому будет подвергаться данная семья после 10 лет проживания в этом месте, если считать, что рассматриваемое вещество относится к беспороговым?
При расчетах риска, связанного с вредными веществами в питьевой воде принято считать, что каждый человек потребляет, в среднем 2,2 литра в день. Следовательно, за 10 лет (3650 дней) суммарная доза составит:
D = cvt = (3 мкг/л)(2,2 л/день)(3650 дней) = 24,1 мг.
Эта величина значительно меньше минимально исследованной дозы, поэтому надо провести экстраполяцию в область малых доз, предполагая линейную зависимость частости риска от дозы. Очевидно, что такая экстраполяция внесет свою погрешность в оценку риска. Время в 10 лет составляет следующую долю от средней продолжительности жизни человека: 10/70 = 0,14. Это существенно меньше доли 0,3, характеризующей условия опытов. Таким образом, добавляется еще один источник погрешности в оценке риска. Фактор риска определяется по формуле (2.14):
Fr = qe,мин/Dмин = 0,1/200 = 5104 мг1.
Дополнительный риск, которому подвергаются члены рассматриваемой семьи, характеризуется частостью:
qe=FrD=(5104 мг1)(24,1 мг)=0,01.
2.3. Способы выражения фактора риска
В уравнении (2.14) фактор риска Fr представлял собой риск, отнесенный к единице дозы вредного вещества и выражался в обратных миллиграммах (мг–1). Иногда требуется дать зависимость риска R не от дозы, а от концентрации вещества с:
R = Fr·c . (2.15)
Если концентрация имеет размерность мкг/м3 (в случае, когда загрязнитель находится в воздухе), то фактор риска должен быть отнесен к единице концентрации и, следовательно, быть выраженным в (мкг/м3)–1. Связь между значениями фактора риска, выраженными в (мг–1) и в (мкг/м3)–1, имеет следующий вид:
Fr (мкг/м3)–1 = Fr (мг–1)·103·v·t, (2.16)
где v — интенсивность ежедневного поступления загрязнителя в организм, а t — длительность поступления. Это соотношение может быть использовано, если определено ежедневное поступление загрязненного воздуха и установлено время воздействия загрязнителя на группу риска.
Пример 5. Найти связь между значениями фактора риска, выраженными в (мг–1) и в (мкг/м3)–1, для населения, постоянно проживающего в местности с загрязненным атмосферным воздухом.
Принятое в Российской Федерации стандартное значение объема воздуха, поступающего в легкие населения, составляет 7,3·106 л/год = 7,3·103 м3/год. Если считать, что каждый житель подвергается риску в течение всей жизни, средняя продолжительность которой составляет 70 лет, то соотношение между значениями фактора риска будет таким:
Fr(мкг/м3)–1 =Fr(мг–1)·103 7,3·103(м3/год)·70 лет = 511 Fr(мг–1). (2.17)
Обозначим через qe количество дополнительных случаев тяжелых последствий действия токсиканта на людей, отнесенное к одному году. Оно может быть записано в следующем виде:
qe = [ Fr (мкг/м3)–1 ·] / T . (2.18)
В этом выражении подразумевается, что каждая i-я доза загрязнителя действует на количество людей, равное N; n - полное количество доз загрязнителя, а Т - время экспозиции, т.е. количество лет воздействия вредного вещества.
Еще один способ выражения фактора риска обусловлен возможностью связи риска R c мощностью дозы токсиканта или канцерогена HD:
R = Fr·HD (2.19)
В этой формуле мощность дозы представляет собой количество токсиканта (канцерогена) в 1 мг, отнесенное к 1 кг массы тела человека и к одному дню экспозиции. Таким образом, величину HD следует выражать в мг/(кг·день), а фактор риска Fr - в обратных единицах, т.е. в [мг/(кг·день)]–1. Если принять среднюю массу тела человека за 70 кг, то легко записать соотношение между значениями фактора риска, выраженного в [мг/(кг·день)]1 и в мг1:
Fr [мг/(кг·день)]1 = Fr (мг1)·70 (кг)·t (дни), (2.20)
где t — время экспозиции.
Пример 6. Найти связь между факторами риска в [мг/(кг·день)]–1 и в мг–1 для персонала, работающего во вредных условиях, связанных с поступлением в организм некоторого токсиканта. Считать, что количество рабочих дней в году равно 250, а полный стаж работы во вредных условиях - 20 лет.
Значение Fr с размерностью [мг/(кг·день)]1 будет иметь вид
Fr[мг/(кг·день)]1 = Fr(мг1)·70(кг) 250(дни/год)·20 лет = 3,5·105 Fr(м1).
2.4. Оценка допустимых для населения концентраций загрязнителей по заданному значению допустимого риска
Для оценки влияния токсиканта, присутствующего в окружающей среде, вводится понятие «риска от дозы i токсиканта j», обозначаемого через [Pe(D)]ij. Фактически величина [Pe(D)]ij является вероятностью, она зависит от так называемого фактора риска данного токсиканта Fr и его дозы D. Доза измеряется в мг, а фактор риска имеет размерность (мг1) и представляет собой риск, приходящийся на единицу дозы. Величина фактора риска должна быть установлена в результате специальных исследований. Если связь между дозой и риском линейна, а воздействие токсиканта не имеет порога, то величина [Pe(D)]ij определяется простой формулой
[Pe(D)]ij = (Fr  D)ij = (Fr  c  v  t)ij, (2.21)
где c - концентрация токсиканта, v - его ежедневное поступление в организм, t - время воздействия токсиканта.
Пусть в g компонентах среды обитания (например, g = 3 при рассмотрении воздуха, воды и пищи) присутствуют (k–1) беспороговых загрязнителей, к которым добавляется еще один (k-й) загрязнитель, также не имеющий порога в соотношении «доза – эффект». Полный риск, обусловленный воздействием всех k беспороговых веществ, определяется следующим выражением:
R = + Rgk ) , (2.22)