2. Теоретическая часть

Риск для здоровья человека (или экосистемы), связанный с загрязнением окружающей среды, возникает при:

• существовании источника риска (предприятие по выпуску продукции, содержащей опасные вещества, либо опасный технологический процесс и т.д.);

• присутствии данного источника риска в определенной, вредной для здоровья человека, дозе или концентрации;

• подверженности человека воздействию упомянутой дозы токсичного вещества.

Перечисленные условия возникновения риска, связанные с загрязнением окружающей среды, образуют в совокупности реальную угрозу или опасность для здоровья человека. В связи с этим концепция оценки рисков получила широкое распространение во всем мире в процессе принятия решений по управлению качеством окружающей среды. При оценке риска загрязнения атмосферного воздуха чаще всего используются данные мониторинга фактических уровней концентраций на стационарных постах наблюдения.

Под экологическим риском принято понимать вероятность возникновения неблагоприятных для природной среды и человека последствий осуществления хозяйственной или иной деятельности. Большинство определений риска сводятся к тому, что риск - это вероятность реализации потенциальной опасности, вызванной воздействием внешних факторов и деятельностью человека, которая приводит к возникновению негативных последствий.

На практике наблюдаются определенные различия в классификации уровней риска, например, имеются четыре категории уровней риска (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1. – Оценка уровней риска

Категория	Оценка уровней	Риск
1	безопасный	<10-4
2	приемлемый	10-4
3	опасный	10-3
4	особоопасный	>10-3

Оценивая экологические риски по всей территории, определяется риск проживания в выбранном регионе, обусловленный возможными авариями на объектах повышенной опасности или загрязнением окружающей среды.

Алгоритм построения имитационной модели оценки риска можно показать на примере оценки риска загрязнения атмосферы промышленного города. С этой целью следует использовать базы данных контроля загрязнения воздуха на стационарных постах. В качестве количественной меры риска загрязнения атмосферы может быть принята вероятность реализации потенциальной опасности [1]:

(2.1)

где - условная вероятность нанесения вреда человеку при поглощении дозы величиной j;

- вероятность поглощения дозы величиной j при наступлении неблагоприятных событий, связанных с загрязнением атмосферы i-ым опасным ингредиентом;

n – число возможных опасных ингредиентов в атмосферном воздухе;

R – количественная мера риска.

Таким образом, в случае, если известны данные о загрязнении атмосферного воздуха, вопрос оценки вероятности возникновения опасных событий проблемы не представляет и P_i(j) определяется как отношение количества опасных событий к общему количеству событий. Например, если в течении года на посту наблюдалось 35 случаев превышения среднесуточной концентрации выше ПДК_м.р. для определенного i-го ингредиента, то вероятность P_i(j) = 35/365 = 0,096.

Большие сложности возникают при оценке вероятности нанесения вреда человеку в случае ингаляционного воздействия вредных веществ. Так, изучение рефлекторного действия веществ проводится на людях (волонтерах) с целью определения пороговых и недействующих концентраций. Моделирование острого опыта проводится на животных при однократном поступлении химического соединения естественными путями – вдыхание с воздухом, в желудок, а для веществ, обладающих раздражающим действием при нанесении на кожу и слизистые оболочки глаз. Для эксперимента отбираются однородные по полу и весу группы животных (мышы, белые крысы). В каждой группе должно быть не менее 6 животных. Каждая группа экспериментальных животных подвергается воздействию определенной концентрации (дозы). Воздействия на разные группы разными концентрациями (дозами) позволяет установить параметры острой токсичности (СЛ₅₀, ДЛ₅₀, ET₅₀ – среднее время гибели животных, или tgα – тангенс угла наклона зависимости летального эффекта от концентрации вещества). Испытывается столько различных доз и на таком количестве групп животных, сколько необходимо для выявления ДЛ₁₀₀, ДЛ₈₄, ДЛ₁₆, ДЛ₀, но не менее 4 - 5 групп. В конце эксперимента рассчитывается ДЛ₅₀, высчитывается стандартная ошибка и среднеквадратическое отклонение, ЕТ₅₀ и (или tgα). Расчет среднесмертельной концентрации (СЛ₅₀) или дозы (ДЛ₅₀) необходимо проводить с помощью пробит-анализа или методом наименьших квадратов. Хронический эксперимент на животных при длительном воздействии химических веществ является основным и главным этапом исследований по обоснованию гигиенических нормативов вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Эксперимент позволяет качественно и количественно оценить токсичность и опасность атмосферных загрязнений, установить характер их влияния на организм, выявить избирательность повреждения отдельных органов и систем, разграничить истинную адаптацию и компенсацию процесса. Конечной задачей хронического эксперимента является установление недействующей и пороговой концентрации изучаемого вещества, с учетом которых рекомендуется предельно допустимая концентрация данного соединения. Эксперимент проводится на подопытных и контрольных группах животных, одинаковых по количеству, равноценных по основным показателям и подобранных методом случайной выборки. До начала эксперимента, полученные из питомника животные в течение 2-х недель содержатся в карантине, после чего в течение того же срока – в камерах для ингаляционного воздействия с целью адаптации к условиям опыта и снятия фоновых показателей. Контрольные животные содержатся в аналогичных с экспериментальными группами условиях – в камерах, в которые подается чистый воздух. В зависимости от категории показателей число животных в опыте должно составлять от 6 до 20 (6, 10, 20). В эксперименте лабораторные животные должны подвергаться ингаляционному воздействию изучаемым веществом в 3 - 5 концентрациях: от неэффективной (подпороговой) до оказывающей выраженный эффект. При этом для установления количественного выражения зависимости “концентрация-эффект” необходимо изучить как минимум 3 эффективных уровня. Длительность круглосуточной экспозиции экспериментальных животных, в частности белых крыс, обычно должна составлять 3 месяца или 10 – 15 % времени жизни этих животных. Оценка состояния подопытных и контрольных животных в течение хронического эксперимента проводится в динамике. Первое обследование осуществляется через 1 - 2 недели от начала опыта. В дальнейшем при воздействии высоких концентраций исследование биологических показателей следует проводить с более короткими интервалами (не более двух недель), а при воздействии меньших – интервалы между повторными исследованиями показателей можно увеличивать от 2 недель до 1 месяца. При этом концентрация веществ должна соответствовать Lim_ch и на порядок ниже, что устраняет возможность аллергической реакции при развитых интоксикации и позволяет определить величину пороговой концентрации по сенсибилизирующему эффекту Lim_al. Выявление и течение возникшей аллергической реакции проводят через 2 - 4 недели, а в дальнейшем ежемесячно, хотя желательно как можно чаще. Обязательно проведение изучения реакций и в восстановительный период, так как возможное снижение уровней аллергических реакций под влиянием токсических свойств вещества затем может проявиться. При высоких значениях величины Lim_al по сравнению с Lim_ch уровень ПДК устанавливается без учета аллергенных свойств.

Обычно функция воздействия W_i(j) для большинства воздействий представляется в виде S-образной кривой log-нормального распределения, симметричной относительно средней точки и отражает связь вида “доза-эффект” (см. рис. 2.1). Эффект подсчитывается как вероятность воздействия, например, в остром опыте это отношение количества погибших животных к общему количеству животных в изучаемой группе при определенном воздействии. Например, если при воздействии определенной концентрации в группе из 20 животных погибло 2 особи, то эффект равен % = 10 %.

Рисунок 2.1. Типичная кривая “доза – эффект” для группы животных, симметричная относительно средней точки (50% ответа).

Основные значения ответа группы на токсикант сосредоточены вокруг среднего значения ЕД₅₀. Можно выделить ряд важных характеристик этой кривой, которые целесообразно учитывать при интерпретации получаемых результатов.

1. Центральная точка кривой (значение 50 % ответа) или средняя эффективная доза (ЕД₅₀) - удобный способ характеристики токсичности вещества. Если оцениваемый эффект - летальность животных в группе, эта точка обозначается, как среднесмертельная доза. Эта величина является наиболее точной количественной характеристикой токсичности, поскольку значение 95 % доверительного интервала здесь минимальны.

2. Чувствительность большинства животных в популяции близка среднему значению.

3. Небольшая часть популяции в левой части кривой “доза-эффект” реагирует на малые дозы токсиканта. Это группа сверхчувствительных или гиперреактивных особей. Другая часть популяции в правой части кривой реагирует лишь на очень большие дозы токсиканта. Это малочувствительные, гипореактивные или резистентные особи.

4. Наклон кривой “доза - эффект”, особенно вблизи среднего значения, характеризует разброс доз, вызывающих эффект. Эта величина указывает, как велико будет изменение реакции популяции на действие токсиканта с изменением действующей дозы. Крутой наклон указывает на то, что большая часть популяции будет реагировать на токсикант примерно одинаково в узком диапазоне доз, в то время как пологий наклон свидетельствует о существенных различиях в чувствительности особей к токсиканту.

Форма кривой и её экстремальные точки зависят от целого ряда внешних и внутренних факторов. Так, токсический процесс может не развиваться до тех пор, пока не истощатся механизмы защиты организма от действующего токсиканта. Важным вариантом кривой “доза-эффект” является зависимость, прослеживаемая в генетически гетерогенной группе. Так, в популяции с необычайно высоким количеством особей, у которых генетически закреплена повышенная чувствительность к токсиканту, возможно зарегистрировать в левой части кривой отклонения от типичной S-образной формы (см. рис. 2.2).

доза Рисунок 2.2. Вариант кумулятивной кривой "доза-эффект" с выраженным гиперреактивным компонентом.

Кривая “доза-эффект” часто преобразуется в линейную зависимость путем её построения в координатах log Д - пробит (см. Рис. 2.3). При этом доза токсиканта представляется в логарифмах, выраженность ответной реакции (вероятность) - в пробитах. Это преобразование позволяет исследователю подвергнуть результаты математическому анализу (например, рассчитать доверительный интервал, крутизну наклона кривой и т.д.).

Рисунок 2.3. Преобразование экспериментальных данных определения зависимости “доза - эффект”: а) зависимость “эффект-доза”; б) зависимость “эффект- log дозы”; в) зависимость “пробит эффекта - log дозы”.

Пробит-преобразование – это нелинейное преобразование, связывающее экспериментально полученные значения вероятности воздействий W_i(C) c пробит – функцией в виде стандартного нормального распределения:

, (2.2)

где Prob – пробит – функция, обычно линейно зависящая от логарифма концентрации С.

При загрязнении атмосферы, в зависимости от степени воздействия, функция “доза-эффект” может быть представлена в виде уравнения (2.2), в котором пробит – функция (Prob) определяется в зависимости от класса опасности загрязняющего вещества по одному из четырех уравнений ((2.3) – (2.6)):

1 класс: Prob = -9,15 + 11,66 · lg (С/ПДК _м.р), (2.3)

2 класс: Prob = -5,51 + 7,49 · lg (С/ПДК _м.р), (2.4)

3 класс: Prob = -2,35 + 3,73 · lg (С/ПДК _м.р), (2.5)

4 класс Prob = -1,41 + 2,33 · lg (С/ПДК _{м. р}). (2.6)

Здесь ПДКм.р. – максимально разовая предельно допустимая концентрация (см. табл. 1.2, л.p. № 2); С – концентрация фактическая, мг/м³.

При загрязнении атмосферы пробиты (Prob) и вероятность (Risk), в случае, если изучается воздействие среднесуточной концентрации С (при этом среднесуточный риск является функцией времени и P_i(C) = 1 для конкретных суток), связаны табличным интегралом (2.7):

(2.7)

Если использовать для расчета стандартного нормального распределения функцию normcdf(u,m,σ) пакета Matlab, которая описывает связь вида (2.2) при m = 0 и σ = 1, то уравнение (2.1) примет вид:

. (2.8)

При определении среднесуточного риска как функции времени можно считать, что для текущих суток P_i(C)=1, а величина С является временным рядом, зависящим от времени с шагом 1 сутки. Величина Prob определяется с учетом (2.3) – (2.6). В этом случае уравнение (2.8) упрощается и возможно определение рисков загрязнения атмосферы промышленного города.