Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические факторы загрязнения среды обитания человека. Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов.pdf
51
7. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
7.1 Физическая сущность
Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) –
электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым
концом видимого излучения и рентгеновским излучением (длина волны от
380 до 10 нм). Диапазон ультрафиолета условно делят на ближний (380 –
200 нм) и дальний, или вакуумный (200 – 10 нм) ультрафиолет, последний
так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется
только вакуумными приборами.
Энергия ультрафиолетового кванта (от 3 до 125 эВ) оказывается
достаточной для разрушения химических связей молекул и изменения хода
биохимических процессов.
Ультрафиолетовое излучение невидимо для глаза человека,
тепловой эффект незначителен, а кожа человека не имеет
специализированных рецепторов ультрафиолета, поэтому опасность
заключается в том, что в момент получения избыточной дозы
ультрафиолета человек ничего не чувствует.
7.2 Источники ультрафиолетового излучения
Источники ультрафиолетового излучения делятся на естественные
(природные) и искусственные.
Основной источник ультрафиолетового излучения естественного
происхождения – Солнце. Интенсивность излучения
ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности
Земли, зависит от следующих факторов:
• от концентрации атмосферного озона над
земной поверхностью (т.е. от наличия
озоновых дыр);
• от возвышения Солнца;
• от высоты над уровнем моря;
• от атмосферного рассеивания;
• от состояния облачного покрова;
• от степени отражения УФ-лучей от
поверхности (воды, почвы).
Искусственные источники ультрафиолетового излучения нашли
широкое применение в медицине, профилактических, санитарных и
гигиенических учреждениях, сельском хозяйстве и т.д., предоставляя, тем
самым, существенно большие возможности, чем при использовании УФ
естественного происхождения. Особенностью ультрафиолетовых
52
источников излучения является наличие селективного спектра,
позволяющего достигать максимально возможного эффекта для получения
определенного фотобиологического процесса.
Классификация искусственных УФ источников излучения по областям
применения (с определенными УФ диапазонами спектра):
• Эритемные лампы – источники, дающие УФ излучение с длиной
волны λ<300 нм были разработаны в 60-х годах прошлого века
для компенсации «УФ недостаточности» естественного излучения
и, в частности, интенсификации процесса фотохимического
синтеза витамина D3 в коже человека («антирахитное действие»).
Эритемные лампы, кроме медицинских учреждений,
использовались в шахтах, в школах и других учебных заведениях
северных регионов, а также для облучения молодняка
сельскохозяйственных и домашних животных (щенков). Однако,
обладая хорошим «антирахитным действием», излучение
эритемных ламп с максимумом в диапазоне 305–315 нм
оказывает одновременно сильное повреждающее воздействие на
коньюктиву (слизистую оболочку глаза).
• Искусственные солярии, в которых используются УФ лампы с
длиной волны от 400 нм до 315 нм и вызывающие достаточно
быстрое образование загара.
• Лампы «полного спектра». В 1980 г. американский психиатр
Альфред Леви описал эффект «зимней депрессии» (или «зимней
хандры»), которую сейчас квалифицируют как заболевание и
называют сокращенно SAD (Seasonal Affective Disorders).
Заболевание связано с недостаточной инсоляцией, то есть
естественным освещением, включающем ультрафиолетовое
излучение. По оценкам специалистов, синдрому SAD
подтверждено ~ 10-12 % населения земли и прежде всего жители
стран Северного полушария. Симптомы, напоминающие зимнюю
депрессию, испытывают круглый год некоторые люди,
работающие в помещениях без окон, куда не проникает
солнечный свет.
• Лампы – светоловушки, спектр излучения которых совпадает со
спектром действия фототаксиса некоторых видов летающих
насекомых-вредителей (мух, комаров, моли и т.д.), которые могут
являться переносчиками заболеваний и инфекций, приводить к
порче продуктов и изделий. Устанавливаются в кафе, ресторанах,
на предприятиях пищевой промышленности, в животноводческих
и птицеводческих хозяйствах, складах одежды и пр.
• Бактерицидные лампы – ртутно-кварцевые лампы, у которых
более 60 % излучения приходится на линию с длиной волны 254
нм, лежащей в спектральной области максимального
бактерицидного действия. Предназначены для обеззараживания
воздуха в помещениях медицинских и детских учреждений
(поликлиники, роддома, санатории), спортивных, учебных,
производственных и складских помещениях (цехах пищевой,
фармацевтической промышленности). В медицинских
учреждениях активно пользуются этим свойством УФ излучения
для профилактики внутрибольничной инфекции и обеспечения
стерильности оперблоков и перевязочных. Воздействие
53
ультрафиолета на клетки бактерий, а именно на молекулы ДНК, и
Длина волны в
нанометрах
Количество энергии
на фотон
Ближний
NUV
400 – 300
3.10 – 4.13 эВ
Средний
MUV
300 – 200
4.13 – 6.20 эВ
Дальний
FUV
200 – 122
6.20 – 10.2 эВ
Экстремальный
EUV, XUV
121 – 10
10.2 – 124 эВ
Вакуумный
VUV
200 – 10
6.20 – 124 эВ
Длина волны в
нанометрах
Количество энергии
на фотон, эВ
Ультрафиолет А,
диапазон)
Ультрафиолет B
(средний диапазон)
Ультрафиолет С,
диапазон)
развитие в них дальнейших химических реакций приводит к
гибели микроорганизмов. Бактерицидные свойства
ультрафиолетовых лучей используются для дезинфекции
инструмента, посуды, с их помощью увеличивают сроки хранения
пищевых продуктов, обеззараживают питьевую воду,
инактивируют вирусы при приготовлении вакцин.
• К источникам УФ излучения относятся лазеры, газоразрядные
источники света, электрические дуги (образуются, например, при
сварочных работах) и др.
7.3 Виды УФ излучения
В технических целях ультрафиолетовое излучение делится на
следующие виды:
Таблица 14
Наименование Аббревиатура
В зависимости от биологических эффектов ультрафиолетового
излучения в трёх спектральных участках, принято выделять 3 зоны – А
(антирахитную), В (эритемную) и С (бактерицидную):
Таблица 15
Наименование Аббревиатура
(длинноволновой
(коротковолновой
UVA не задерживается озоновым слоем, проходит сквозь стекло и
роговой слой кожи. За счет поглощения, отражения и рассеивания при
прохождении через эпидермис, в дерму проникает только 20-30% UVA и
около 1% от общей его энергии достигает подкожной клетчатки.
Большая часть UVB поглощается озоновым слоем, который
"прозрачен" для UVA. Практически не проникает сквозь стекло, на 70%
отражается роговым слоем, на 20% ослабляется при прохождении через
эпидермис - в дерму проникает менее 10%. Однако длительное время
считалось, что доля UV-В в повреждающем действии ультрафиолета
составляет 80%, поскольку именно этот спектр отвечает за возникновение
эритемы солнечного ожога.
UVС (200-280 нм) поглощается озоновым слоем. В случае
использования искусственного источника ультрафиолета, он
задерживается эпидермисом и не проникает в дерму.
UVA 400 – 315 3.10 – 3.94
UVB 315 – 280 3.94 – 4.43
UVC 280 – 100 4.43 – 12.4
54
7.4 Действие УФ излучения на организм
Действие ультрафиолетового излучения на клетку
В действии коротковолнового излучения на живой организм
наибольший интерес представляет влияние ультрафиолетовых лучей на
биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты, группы молекул которых
интенсивно поглощают излучение с длиной волны 260-280 нм.
Поглощенная энергия может мигрировать по цепи атомов в пределах
молекулы без существенной потери, пока не достигнет слабых связей
между атомами и не разрушит связь. В течение такого процесса,
называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие
сильное действие на организм. Так, например, из аминокислоты гистидина
образуется гистамин - вещество, расширяющее кровеносные капилляры и
увеличивающее их проницаемость. Кроме фотолиза под действием
ультрафиолетовых лучей в биополимерах происходит денатурация.
Процессы фотолиза и денатурации белков идут параллельно и независимо
друг от друга. Сочетание этих процессов определяет картину действия на
клетку ультрафиолетовых лучей.
Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция
клетки - деление. Облучение в дозе 10
-19
Дж/м2 вызывает остановку
деления около 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность
клеток при этом не прекращается. Со временем восстанавливается их
деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза
нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, необходимо довести
дозу облучения до 10
-18
Дж/м2. Ультрафиолетовые лучи вызывают в
нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют на рост, деление,
наследственность клеток, т.е. на основные проявления жизнедеятельности.
Значение механизма действия на нуклеиновую кислоту объясняется
тем, что каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты)
уникальна. ДНК - это наследственная память клетки. В ее структуре
зашифрована информация о строении и свойствах всех клеточных белков.
Если любой белок присутствует в живой клетке в виде десятков и сотен
одинаковых молекул, то ДНК хранит информацию об устройстве клетки в
целом, о характере и направлении процессов обмена веществ в ней.
Поэтому нарушения в структуре ДНК могут оказаться непоправимыми или
привести к серьезному нарушению жизнедеятельности.
Действие ультрафиолетового излучения на кожу
При контролируемом воздействии на кожу ультрафиолетовых
лучей, одним из основных положительных факторов считается образование
в организме витамина D, необходимого для всасывания кальция в
кишечнике и обеспечения нормального развития костного скелета.
(Болезнь, возникающая при недостатке витамина D у детей первых лет
жизни, которых родители прячут от Солнца, называется рахитом.)
Ультрафиолет активно влияет на синтез мелатонина и серотонина -
гормонов, отвечающих за циркадный (суточный) биологический ритм.
Исследования немецких ученых показали, что при облучении УФ-лучами
сыворотки крови в ней на 7 % увеличивалось содержание серотонина "гормона бодрости", участвующего в регуляции эмоционального состояния.
Его дефицит может приводить к депрессии, колебаниям настроения,
сезонным функциональным расстройствам. Именно таким эффектом
55
объясняется бодрящее действие весеннего солнца, поднимающего
настроение и жизненный тонус.
Эритемное действие УФ излучения представляет собой
воспалительную реакцию эпидермиса - наружного поверхностного слоя
кожи позвоночных животных и человека.
Если тепловая (калорическая) эритема (покраснение кожи)
обусловлена воздействием видимых и инфракрасных лучей и исчезает
почти сразу после прекращения действия облучения, то ультрафиолетовая
эритема появляется после скрытого периода в 2-8 часов в пределах
облученного участка кожи, и сменяется загаром и шелушением.
По существу эритема представляет собой воспалительную реакцию,
ожог кожи. Это особое, асептическое воспаление. Если доза облучения
слишком велика или кожа особенно чувствительна к ним, отечная жидкость,
накапливаясь, отслаивает местами наружный покров кожи, образует
пузыри. В тяжелых случаях появляются участки некроза (омертвения)
эпидермиса. Через несколько дней после исчезновения эритемы кожа
темнеет и начинает шелушиться. По мере шелушения слущивается часть
клеток, содержащих меланин, загар бледнеет.
Эффект облучения зависит от проникающей способности лучей и от
толщины рогового слоя. Чем короче длина волны излучения, тем меньше
их проникающая способность. Лучи короче 310 нм не проникают глубже
эпидермиса. Лучи с большей длиной волны достигают сосочкового слоя
дермы, в котором проходят кровеносные сосуды. Таким образом,
взаимодействие ультрафиолетовых лучей с веществом происходит
исключительно в коже, главным образом в эпидермисе.
Ультрафиолетовые лучи в дозах, вызывающих образование
эритемы, усиливают работу кроветворных органов, барьерные свойства
кожного покрова, устраняют аллергию.
В 1899 г. Нильс Финсен впервые применил ультрафиолетовое
излучение для лечения обыкновенной волчанки – почти не поддающейся
терапии кожной болезни и обезображивающей внешность своих жертв,
делая изгоями общества. Подвергая пациентов двухчасовому ежедневному
воздействию УФ лучей от дуговой угольной лампы, Финсен получил
замечательные результаты: за пять лет из 800 больных волчанкой 50%
полностью выздоровели, а у 45% отмечалось значительное улучшение.
Известен целый ряд негативных фотобиологических процессов,
протекающих в организме человека, вызванных действием
ультрафиолетового излучения. К таким процессам относятся, например,
гиперпигментация кожи, солнечные ожоги кожи и глаз, катаракта,
преждевременное старение кожи, рак кожи. Ультрафиолетовое излучение
обладает иммуносупрессивным действием (большие дозы ультрафиолета
инициируют подавление клеточно-опосредованного иммунитета).
Негативные действие УФ излучения на кожу возникают,
преимущественно, за счет лучей спектра А, которые несут меньшую
энергию, но способны глубже проникать в кожу. Как правило, этот тип
повреждений - результат образования свободных радикалов и
последующего воздействия продуктов свободнорадикальных реакций.
Действие на сетчатку глаза
Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при
интенсивном облучении вызывает типично радиационное поражение (ожог
сетчатки). Так, во время наблюдения солнечных затмений возникают
56
повреждения сетчатки, чреватое резким снижением остроты зрения и
появления пятен перед глазами. Слизистая оболочка глаза - коньюктива не имеет защитного рогового слоя, поэтому она более чувствительна к УФоблучению, чем кожа. Резь в глазу, краснота, слезотечение, частичная
слепота появляются в результате дегенерации и гибели клеток коньюктивы
и роговицы. Клетки при этом становятся непрозрачными. Длинноволновые
ультрафиолетовые лучи, достигая хрусталика, в больших дозах могут
вызвать его помутнение – катаракту.
Тем не менее, ультрафиолет необходим для глаз человека, о чем
свидетельствуют большинство офтальмологов. Солнечный свет оказывает
расслабляющее воздействие на окологлазные мускулы, стимулирует
радужную оболочку и нервы глаз, увеличивает циркуляцию крови.
Повышенные дозы УФ-излучения воздействуют и на центральную
нервную систему, отклонения от нормы проявляются в виде тошноты,
головной боли, повышенной утомляемости, повышения температуры тела и
др.
7.5 Допустимые уровни воздействия
В бытовых условиях допустимая освещенность UVВ излучения не
должна превышать 1,9 Вт/м2, а UVА - 10 Вт/м2.
Освещенность от экранов телевизоров, мониторов, измерительных
приборов в бытовых условиях и т.п. в зоне UVВ не должна превышать 0,1
мВт/м2, в зоне UVА - 0,1 Вт/м2. Излучение в зоне UVС не допускается.
Действующие нормы, устанавливающие допустимые величины
ультрафиолетового излучения на рабочих местах от производственных
источников9, разработаны ещё в 1988 г. Согласно этим нормам допустимая
интенсивность облучения работающих при наличии незащищенных
участков поверхности кожи не более 0,2 кв. м и периода облучения до 5
минут и общей продолжительности воздействия за смену до 60 минут не
должна превышать:
• 50,0 Вт/кв. м - для области UVА;
• 0,05 Вт/кв. м - для области UVВ;
• 0,001 Вт/кв. м - для области UVС.
Допустимая интенсивность ультрафиолетового облучения
работающих при наличии незащищенных участков поверхности кожи не
более 0,2 кв. м (лицо, шея, кисти рук и др.), общей продолжительности
воздействия излучения 50% рабочей смены и длительности однократного
облучения свыше 5 мин. и более не должна превышать:
• 10,0 Вт/кв. м - для области UVА;
• 0,01 Вт/кв. м - для области UVВ.
Излучение в области UVС при указанной продолжительности не
допускается.
При использовании специальной одежды и средств защиты лица и
рук, не пропускающих излучение (спилк, кожа, ткани с пленочным
покрытием и т.п.), допустимая интенсивность облучения в области UVВ +
UVС (200 - 315 нм) не должна превышать 1 Вт/кв. м.
9
Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных
помещениях: утв. Главным государственным санитарным врачом СССР 23 февраля 1988
г. № 4557-88
57
Нормирование ультрафиолетового излучения диапазона С
регулируется Руководством по использованию ультрафиолетового
бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в
помещениях10.
Руководство содержит указания на чувствительность к воздействию
ультрафиолетового излучения вирусов и бактерий (палочки, кокки –
наибольшая чувствительность к УФ); грибов и простейших
микроорганизмов (меньшая чувствительность); споровые формы бактерий,
обладающие наибольшей устойчивостью к УФ. В общем случае, результат
взаимодействия излучения зоны С и микроорганизма зависит от его вида и
от энергии излучения, поглощенной клеткой, т.е. пропорционален
бактерицидной дозе (экспозиции).
В Руководстве приведён перечень помещений, подлежащих
оборудованию бактерицидными облучателями и дозы УФ воздействия в
зависимости от типа помещения и его размера.
Величина доз УФ излучения устанавливается Руководством в
зависимости от уровня бактерицидной эффективности для разных видов
микроорганизмов в пределах от 30 до 25000 Дж/м3.
7.6 Минимизация воздействия УФ излучения, способы защиты
Воздействие УФ радиации на кожу и глаза должно быть сведено до
минимума, за исключением тех случаев, когда процедуры предписаны на
основании медицинских показаний.
В случае превышения допустимого воздействия УФ
излучения должны быть предусмотрены мероприятия по
уменьшению интенсивности излучения источника или
защите людей от облучения (экранирование), а также по
дополнительной защите кожных покровов и глаз человека.
Солнцезащитные средства обычно подразделяются
на химические и физические:
• к химическим агентам относятся химические вещества и
покровные кремы, содержащие ингредиенты, поглощающие УФИ
(например, парааминобензойная кислота и ее эфиры, циннаматы
и др.);
• физические агенты действуют как простые физические преграды,
отражающие, блокирующие или рассеивающие свет.
Одежда обычно не поглощает УФ лучей полностью.
Для защиты глаз в производственных условиях используют
светофильтры (очки, шлемы) из тёмно-зелёного стекла. Полную защиту от
УФ излучения всех длин волн обеспечивает флинтглас (стекло,
содержащее окись свинца) толщиной 2 мм.
10
Руководство по использованию ультрафиолетового бактерицидного излучения
для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях: утв. Главным санитарным
врачом Российской Федерации 19 января 1998 г. : Р 3.1.683-98
58
Вопросы для самопроверки:
1. Укажите диапазон длин волн ультрафиолетового излучения.
2. Перечислите источники ультрафиолетового излучения.
3. На каком основании свет считается важнейшим экологическим
фактором?
3. В каких целях используют ультрафиолетовое излучение в
медицине?
4. Приведите примеры негативных фотобиологических процессов,
протекающих в организме человека, вызванных действием
ультрафиолетового излучения
5. Перечислите способы минимизации воздействия
ультрафиолетового излучения на кожу и глаза человека
59
8. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
8.1 Физическая сущность
Ионизирующие излучения (радиация) включает все виды излучений,
взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и
молекул. Согласно определению, данному Физической энциклопедией,
ионизация – это превращение электрически нейтральных атомных частиц в
результате удаления из них одного или нескольких электронов в
положительные ионы и свободные электроны.
Энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от
нескольких сотен электронвольт (рентгеновское излучение, бета-излучение
некоторых радионуклидов) до 1015 – 1020 и выше эВ (протоны космического
излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии).
Энергия, необходимая для удаления одного электрона за пределы атома,
называется энергией ионизации (минимальная Е
В особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут и
присоединять электроны, образуя отрицательные ионы. Ионизовываться
могут и ионы, при этом повышаются кратности их заряда.
= 34 эВ).
ион
8.2 Источники ионизирующих излучений
В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в
результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных
реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов,
нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц
в космосе.
Искусственными источниками ионизирующего излучения являются
искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гаммаизлучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и
гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители
элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также
тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют
тормозное рентгеновское излучение)
Источниками ионизирующих излучений являются:
• естественный радиационный фон (климатогеографические
условия проживания).
• Радионуклиды природного происхождения содержатся в объектах
окружающей среды, излучение которых создает естественный
радиационный фон. В результате производственной
60
деятельности человека (добыча и переработка минерального
U
238
4*109 лет
альфа
U
235
7*108 лет
альфа
Th
234
24,1 дней
бета
Rn
222
3,8 дней
альфа
K40
1,3*1010 лет
бета, гамма
Ra
224
3,66 дней
альфа
Rn
220
55,6 с
альфа
и др.
сырья, строительство и пр.) происходит перераспределение
природных радионуклидов в объектах среды обитания людей и
окружающей среде и, соответственно, техногенное изменение
радиационного фона.
Перечень основных гигиенически значимых природных
радионуклидов и их характеристики приведены в Санитарных правилах
«Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счет
природных источников ионизирующего излучения. СП 2.6.1.1292-0»:
Таблица 16 Таблица. Основные природные радионуклиды
Нуклид Период полураспада Тип распада
• технологический радиационный фон (добыча полезных
ископаемых, воздействие угольных ТЭЦ, использование
минеральных удобрений и пр.);
• радиационный фон, обусловленный применением ядерных
технологий, (в том числе испытаниями ядерного оружия) и
захоронением радиоактивных отходов;
• ионизирующие излучения, используемые в медицине с
диагностической и терапевтической целью.
8.3 Виды ионизирующих излучений
В зависимости от механизма взаимодействия с веществом,
выделяют две большие группы ионизирующих излучений:
• электромагнитные излучения (рентгеновские и γ-лучи);
• корпускулярные излучения (потоки заряженных и незаряженных
частиц). К заряженным частицам относятся: α-частицы - ядра
гелия, β-частицы - электроны, позитроны, протоны, тяжелые ионы
и др.