Гигиеническая оценка аэрогенного воздействия взвешенных веществ на заболеваемость детей болезнями органов дыхания в зоне влияния выбросов металлургического производства

Землянова Марина Александровна – доктор медицинских наук, заведующий отделом биохимических и цитогенетических методов диагностики (e-mail: ; тел.: 8 (342) 236-39-30; ORCID: .

Кольдибекова Юлия Вячеславовна – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник с выполнением обязанностей заведующего лабораторией метаболизма и фармакокинетики отдела биохимических и цитогенетических методов диагностики (e-mail: ; тел: 8 (342) 237-18-15; ORCID: .

а также взвешенные вещества. Выбросы пылей вносят существенный вклад в загрязнение атмосферного воздуха селитебной застройки. Воздействие взвешенных веществ может приводить к негативным последствиям со стороны здоровья населения, в первую очередь в виде заболеваний органов дыхания. Особенно опасно воздействие на детский контингент в силу несовершенства защитных и адаптационных возможностей организма ребенка1 [2].

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) взвешенные вещества и входящие в их состав мелкодисперсные частицы размером 2,5 и 10 мкм относят к перечню приоритетных загрязняющих веществ по уровню влияния на здоровье населения [3]. Исходя из рекомендаций ВОЗ, в качестве средней суточной предельно допустимой концентрации в атмосферном воздухе для РМ_2.5 установлена концентрация 0,025 мг/м³, для РМ₁₀ – 0,05 мг/м^3, что в 1,4 и 1,2 раза жестче соответствующих гигиенических нормативов, принятых в Российской Федера-ции². Химический состав взвешенных частиц металлургических предприятий зависит от особенностей технологических процессов производства и включает в себя различные неорганические компоненты, в первую очередь металлы [4–6]. В публикациях по оценке воздействия взвешенных частиц на здоровье населения показан широкий спектр негативных эффектов, в том числе со стороны органов дыхания – в виде увеличения частоты бронхитов и других симптомов со стороны верхних и нижних дыхательных путей, обострения приступов бронхиальной астмы, увеличения частоты случаев пневмоний и смертности по причине болезней органов дыхания [7]. Наиболее масштабное эпидемиологическое исследование по 22 когортам в Европе подтвердило зависимость общей смертности от концентраций в атмосферном воздухе РМ 2.5 , которая возрастала на 7 % на каждые 5 мкг/м³ [8].

По данным ВОЗ загрязнение атмосферного воздуха мелкодисперсными взвешенными частицами оказывает выраженное негативное влияние непосредственно на дыхательные пути. Доказана способность частиц с аэродинамическим диаметром менее 10 мкм проникать по бронхиальному дереву и накапливаться в тканях легких, менее 2,5 мкм – достигать бронхиол и альвеол, а менее 0,1 мкм – проникать в кровоток [4, 6, 9, 10]. В экспериментальных исследованиях установлено, что воздействие РМ2.5 на слизистую респираторного тракта уменьшает количество бокаловидных клеток и толщину эпителия [11]. Данные изменения приводят к сокращению пула фагоцитирующих макрофагов и эпителиальных клеток, участвующих в защитной функции дыхательных путей от негативного воздействия загрязняющих веществ атмосферного воздуха [6].

Многочисленные зарубежные и российские исследования свидетельствуют о прямой связи между существенным ростом заболеваний и возникновением дополнительных случаев заболеваемости со стороны органов дыхания и воздействием взвешенных частиц из атмосферного воздуха [7, 12–14]. Доказано, что при увеличении среднесуточной концентрации РМ 10 на каждые 10 мкг/м³ обращаемость или госпитализация населения по поводу заболеваний верхних и нижних отделов дыхательных путей повышается от 2,4 до 3,4 %, а число случаев заболеваний бронхитом возрастает на 10–25 % [15, 16]. При возрастании концентрации РМ₁₀ на 10 мкг/м³ в течение двух месяцев частота приступов бронхиальной астмы у детей повышается на 4,2 % [16].

В настоящее время актуальным является исследование и оценка влияния взвешенных веществ с учетом их химического и фракционного состава на заболеваемость детей для решения задач профилактики негативных последствий со стороны органов дыхания.

Цель исследования – гигиеническая оценка аэрогенного воздействия взвешенных веществ на заболеваемость детей болезнями органов дыхания в зоне влияния источников выбросов металлургического производства.

Материалы и методы. Объектами исследования являлись пробы атмосферного воздуха селитебных территорий, характеризующихся загрязнением атмосферного воздуха взвешенными веществами от источников выбросов предприятий цветной металлургии (территория наблюдения) и отсутствием загрязнения данными компонентами (территория сравнения), базы данных по заболеваемости детского населения.

Исследование фракционного и химического состава взвешенных частиц выполнено на основании анализа отобранных суточных проб атмосферного воздуха в жилой застройке в точке, расположенной на расстоянии, удаленном от границы санитарно-защитной зоны объекта металлургического производства на 2 км. Пробы отобраны с 00.30 до 18.30 ч воздухозаборным устройством «ПА-300М-2» (Россия) на фильтры «АФА-ВП-20-2» (Россия). Исследование гранулометрического состава взвешенных частиц выполнено методом анализа изображений на растровом электронном сканирующем микроскопе S-3400N (Hitachi, Япония) с программным обеспечением ImageJ-FiJi (Германия), химического состава взвешенных частиц – методом рентгеноспектрального анализа с помощью энергодисперсионного спектрометра XFlash Detektor 4010 (Bruker, Германия).

Гигиеническая оценка содержания взвешенных веществ и их фракций РМ 2.5 и РМ 10 в пробах атмосферного воздуха выполнена в соответствии с ГН 2.1.6.3492-17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений» центром коллективного пользования ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Сравнительная оценка общей и первичной заболеваемости болезнями органов дыхания детского населения (до 14 лет) территорий наблюдения и сравнения осуществлена по данным формы федерального статистического наблюдения № 12 «Сведения о числе заболеваний, зарегистрированных у пациентов, проживающих в районе обслуживания медицинской организации» за 2014–2018 гг. и по результатам анализа данных фактической обращаемости населения за медицинской помощью Территориального фонда обязательного медицинского страхования (ФОМС) за 2017–2018 гг. Проведена адресная привязка данных реестра случаев обращений за медицинской помощью экспонированного и неэкспонированного населения. С помощью пространственного пересечения с использованием ArcGIS 9.3 установлено количество детского населения, находящегося в зоне экспозиции химических факторов, тропных к органам дыхания.

Статистический анализ информации выполнен с помощью программы Statistica 6.0 и специальных программных продуктов с приложениями MS-Office. Проверку на нормальность распределения измеряемых переменных осуществляли на основе теста Колмогорова – Смирнова. Для количественной характеристики исследуемых показателей использовали значения средней и ее ошибки, так как случайные величины анализируемых показателей соответствовали закону нормального распределения. Оценка достоверности различий в заболеваемости детского населения территории наблюдения и сравнения проведена с использованием t-критерия Стьюдента. Статистически значимым считали уровень р ≤ 0,05 [17].

Выявление и оценку причинно-следственных связей вероятности возникновения заболеваний органов дыхания от уровня взвешенных веществ в атмосферном воздухе выполняли с помощью специалистов отдела математического моделирования систем и процессов ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» с использованием метода простого линейного регрессионного анализа.

Достоверность и адекватность модели регрессии оценивали на основании уровня значимости ( p ) и величины коэффициента корреляции ( r ). Проверка статистической значимости проводилась с использованием стандартной процедуры проверки статистических гипотез, основанной на расчете критерия Стьюдента ( t ) [18].

Результаты и их обсуждение. В состав выбросов предприятий металлургического профиля входит порядка 50 наименований химических веществ (связаны с деятельностью предприятия по производству глинозема). Взвешенные вещества и оксиды металлов, входящие в их состав, составляют порядка 20 % от общего числа выбрасываемых веществ.

Оценка результатов исследования фракционного состава взвешенных веществ показала, что в атмосферный воздух территории наблюдения поступают взвешенные вещества. При этом порядка 57,0 % от общего количества частиц приходится на частицы диаметром 2,5–10,0 мкм. Частицы с диаметром 0,1–2,5 мкм составили 21,0 %, частицы менее 0,1 мкм – 22,0 % (табл. 1).

Обращает на себя внимание, что доля частиц с аэродинамическим диаметром 2,5–10,0 мкм и менее 0,1 мкм в атмосферном воздухе территории наблюдения в 3,0–10,0 раза превысила соответствующие показатели территории сравнения.

Таблица 1

Фракционный состав и среднесуточная концентрация частиц отдельных размерных групп, осажденных на фильтры, при исследовании атмосферного воздуха жилой застройки

Диапазон размера частиц, мкм	ПДК сс *, мг/м3	ПДК сс **, мг/м3	Территория наблюдения		Территория сравнения
			доля частиц, %	среднесуточная концентрация частиц, мг/м3	доля частиц, %	среднесуточная концентрация частиц, мг/м3
Менее 0,1	–	–	22,3	0,018	2,23	0,002
0,1–2,5 (РМ 2.5 )	0,035	0,025	20,8	0,034	79,88	0,024
2,5–10,0 (РМ 10 )	0,06	0,05	56,9	0,057	17,87	0,014

П р и м е ч а н и е :

* – величина среднесуточной предельно допустимой концентрации веществ согласно ГН 2.1.6.3492-173;

** – величина среднесуточной предельно допустимой концентрации веществ согласно Директиве Европейского союза.

Таблица 2

Примеры химического состава отдельных дисперсных частиц в пробах атмосферного воздуха жилой застройки в зоне влияния металлургического производства

Территория жилой застройки	Размер частицы, мкм	Химический состав, мас. %
		Na	Mg	Ca	Al	Cu	Fe	Ni	Ti	Ga	Nd
Территория наблюдения	66,89	7,11	4,87	9,58	6,51	–	0,63	–	–	–	–
	39,55	6,80	1,82	1,86	–	1,25	5,48	4,14	–	–	–
	1,12	1,50	7,49	6,59	1,46	3,54	0,16	5,0	3,68	0,64	4,10
	0,98	–	–	–	–	62,01	–	11,97	–	–	–
Территория сравнения	61,58	–	10,23	1,41	3,663	–	10,10	–	–	–	–
	19,43	–	6,29	0,86	11,50	43,14	–	–	–	–	–
	72,56	–	9,08	5,00	7,25	–	0,60	–	–	–	–

Оценка качества атмосферного воздуха показала, что содержание взвешенных веществ в атмосферном воздухе территории наблюдения до пяти раз превышает предельно допустимую среднюю суточную концентрацию и до 2,5 раза превышает показатель территории сравнения. Оценка содержания РМ 10 и РМ 2.5 в атмосферном воздухе жилой застройки территории наблюдения показала отсутствие превышений среднесуточных гигиенических нормативов РФ. При этом установлено превышение в 1,2 и в 1,4 раза соответственно среднесуточных предельно допустимых концентраций, рекомендованных ВОЗ, а также в 1,4 и в 4,0 раза соответственно аналогичных показателей территории сравнения.

Химический состав мелкодисперсных частиц различного размера сложный и включает комплекс порядка 15 наименований оксидов металлов и неметаллов. При этом большая часть металлов, входящих в состав частиц (железо, никель, медь, титан, галлий, неодим), характерна для выбросов предприятий металлургического производства (табл. 2).

В пробах атмосферного воздуха территории наблюдения в состав исследованных мелкодисперсных частиц чаще входят общераспространенные оксиды натрия с массовой долей от 1,5 до 7,1 % и специфические оксиды металлургического производства – меди, железа, никеля, титана с массовой долей от 0,16 до 6,5 %; реже встречаются оксиды титана, галлия и неодима – от 0,6 до 11,9 %, отсутствующие в составе мелкодисперсных частиц в пробах атмосферного воздуха территории сравнения. Пример спектрограммы, характеризующей химический состав отдельной мелкодисперсной частицы и ее электронное изображение, представлен на рис. 1, 2.

Анализ заболеваемости населения по данным государственной статистической отчетности за 2014–2018 гг. показал, что первое ранговое место в структуре общей и первичной заболеваемости детского населения как территории наблюдения, так и территории сравнения занимают болезни органов дыхания. Общая заболеваемость детского населения болезнями органов дыхания на территории наблюдения составила 1342,03 случая на 1000 детей, что в 1,8 раза выше аналогичного показателя у детей территории сравнения (760,95 случая на 1000 детей, р ≤ 0,05) (табл. 3). При этом средний за пять лет

Рис. 1. Пример химического состава мелкодисперсной частицы пробы атмосферного воздуха жилой застройки территории наблюдения: cps/eV – число импульсов в секунду на электронвольт, keV – килоэлектронвольт

Рис. 2. Изображение на растровом электронном сканирующем микроскопе мелкодисперсных частиц пыли, осажденных на фильтре, при исследовании атмосферного воздуха территории наблюдения (масштаб 120:1)

Таблица 3

Показатели заболеваемости детского населения территории наблюдения и сравнения за 2014–2018 гг.

Класс болезней / нозологическая форма (по МКБ-10)	Территория наблюдения		Территория сравнения		Достоверность различий по среднему, p ≤ 0,05
	среднее за 2014–2018 гг., число сл. на 1000 детей	темп прироста к 2014 г., % *	среднее за 2014–2018 гг., число сл. на 1000 детей	темп прироста к 2014 г., % *
Общая заболеваемость
J00–J98. Болезни органов дыхания	1342,03 ± 90,11	–3,30	760,95 ± 20,14	–5,67	≤0,05
J30.1. Аллергический ринит (поллиноз)	10,44 ± 1,25	–8,72	0,13 ± 0,02	0,00	≤0,05
J35–J36. Хронические болезни миндалин и аденоидов	49,84 ± 8,52	45,62	3,36 ± 0,05	–68,55	≤0,05
J44. Другая хроническая обструктивная легочная болезнь	2,29 ± 0,51	287,55	1,55 ± 0,21	–64,09	0,29
J45–J46. Астма, астматический статус	18,12 ± 2,47	–33,77	4,37 ± 0,85	81,43	≤0,05
Первичная заболеваемость
J00–J98. Болезни органов дыхания	1274,97	–1,21	752,03	–3,40	0,30
J30.1. Аллергический ринит (поллиноз)	1,47	–40,97	–	–*	≤0,05
J35–J36. Хронические болезни миндалин и аденоидов	16,66	–24,98	3,07	–90,21	≤0,05
J44. Другая хроническая обструктивная легочная болезнь	0,76	764,71	0,54	–100,00	0,34
J45–J46. Астма, астматический статус	1,78	–21,72	1,28	116,35	0,14

П р и м е ч а н и е : * – при нулевых значениях показателя в 2014 г. темп прироста не рассчитывали.

отдельным нозологическим формам (хроническая болезнь миндалин и аденоидов, астма и астматический статус). Полученные результаты согласуются с данными, представленными в научных работах отечественных и зарубежных исследований по эпидемиологической оценке влияния взвешенных веществ в атмосферном воздухе на распространенность болезней органов дыхания в детской популяции [7, 21, 22].

Установленная прямая зависимость вероятности повышения уровня заболеваемости болезнями органов дыхания у детей при аэрогенном воздействии взвешенных веществ позволяет предположить в год до 500 дополнительных случаев заболеваний на 1000 детей, ассоциированных с повышенным уровнем изучаемого фактора загрязнения атмосферного воздуха. Использование полученных научно обоснованных результатов позволяет установить причинно-следственные связи между условием проживания на территории и возникновением заболеваний, что дает возможность принимать эффективные управленческие решения, направленные на снижение негативных последствий со стороны органов дыхания у детей, подвергающихся аэрогенной химической экспозиции [23].

Присутствие взвешенных веществ, в том числе РМ10 и РМ2.5, в атмосферном воздухе селитебной застройки территории с размещением предприятий металлургического профиля и развитие выраженных негативных эффектов при их воздействии позволяют предположить наличие дополнительной заболеваемости детского населения болезнями органов дыхания, ассоциированной с содержанием взвешенных веществ в атмосферном воздухе, что подтверждается полученными результатами исследования. Эффективное снижение содержания взвешенных частиц в атмосферном воздухе промышленных регионов, в том числе территорий с размещением металлургических предприятий, возможно путем совершенствования нормативной базы в части регламентации содержания в атмосферном воздухе мелкой фракции взвешенных частиц и разработки технологических и санитарно-гигиенических

мероприятий в отношении источников выбросов. Для детского населения, постоянно проживающего в зонах аэрогенной экспозиции взвешенными веществами, необходимо проведение адресных медико-профилактических мероприятий, направленных на снижение случаев заболеваний со стороны органов дыхания.

Выводы:

• 1.    Гигиеническая оценка качества атмосферного воздуха по содержанию взвешенных веществ показала превышение предельно допустимых среднесуточных концентраций РМ 10 и РМ 2.5 – до 1,2 и 1,4 раза ПДК_сс соответственно относительно нормативов, рекомендованных ВОЗ.

• 2.    Респирабельная фракция взвешенных частиц характеризуется сложным химическим составом и включает металлы (никель, медь, железо, титан, галлий и неодим), специфичные для выбросов в атмосферный воздух от источников предприятий металлургической отрасли промышленности, что может обусловливать нарастание негативного воздействия взвешенных веществ на органы дыхания у детей.

• 3.    Оценка заболеваемости показала повышенный уровень общей и первичной заболеваемости у детского населения по классу болезней органов дыхания в целом до 1,8 раза, а по отдельным нозологическим формам в виде хронической болезни миндалин и аденоидов, астмы и астматического статуса – до 14,8 раза относительно аналогичных показателей у неэкспонированных детей.

• 4.    Доказана зависимость вероятности возникновения заболеваний органов дыхания от повышенного содержания в атмосферном воздухе взвешенных веществ, что позволило прогнозировать у детей до 500–1000 дополнительных случаев заболеваний органов дыхания, ассоциированных с аэрогенной экспозицией взвешенных веществ, в год.

Финансирование. Исследование выполнено в рамках бюджетного финансирования в соответствии с государственным заданием.