Определение ПДК метана в воздухе населённых мест методом эколого-токсикологической оценки на живые организмы Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 57.044

А. В. Сауц

Определение ИДК метана в воздухе населённых мест методом эколого-токсикологической оценки на живые организмы

Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики, г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация. В данной работе определены значения максимальной разовой и среднесуточной предельно допустимой концентрации (ПДК) метана в воздухе населённых мест, отсутствующие в настоящее время в действующих эколого-гигиенических нормативах. В РФ нормируется только ориентировочно безопасный уровень (ОБУВ) без учёта времени негативного действия метана, а в США - средневзвешенная во времени допустимая «вероятностная» концентрация метана (TWA) как для воздуха рабочей зоны, так и для населённых мест. Недостатком вероятностного подхода является трудность его практической реализации, т. к. требуется учесть множество вредных факторов, степень их значимости (весовые коэффициенты) и т. д. На практике на состояние животных и растений может негативно влиять воздух, загрязненный веществами, концентрации которых существенно ниже ПДК, что в свою очередь побуждает необходимость пересмотра действующих гигиенических нормативов с точки зрения экологической безопасности. В основу определения ПДК метана положены результаты биологических исследований токсического действия метана на живые организмы (пороговые концентрации по наиболее чувствительному рефлекторному тесту, полулетальные и абсолютно летальные концентрации в воздухе для белых крыс, белых мышей, полулетальные концентрации в воде для ракообразных, дафний Магна, водорослей, концентрации, вызывающие у человека асфиксию, угнетение центральной нервной системы, изменения биоэлектрической активности коры головного мозга, светочувствительности глаз). Ограниченные по этическим, экономическим и временным причинам биологические методы оценки дополнены токсикометрическими методами. Выполнена математическая обработка результатов с использованием стандартного геометрического отклонения. Произведено сравнение полученных результатов с данными действующего гигиенического норматива. Результаты работы имеют практическую значимость в эколого-гигиеническом нормировании, обеспечении экологической безопасности для населенных мест, попадающих в зону негативного влияния длительно действующих источников метана - полигонов и свалок твёрдых бытовых и промышленных отходов, болот, скотомогильников, кладбищ, сельскохозяйственных биореакторов, систем газоснабжения природным газом, нефтегазовых месторождений и т. д.

Ключевые слова: метан, отравление, ПДК, ОБУВ, воздух населённых мест, летальная концентрация, биологические испытания, асфиксия, токсикометрия, эколого-гигиеническое нормирование.

DOI 10.25587/SVFU.2018.65.14065

САУЦ Артур Валерьевич - к. т. н., доцент кафедры маркетинга и социальных коммуникаций Санкт-Петербургского университета технологий управления и экономики. E-mail: [email protected]

SAUTS Arthur Valerievich - Docent of the Department of Marketing and Social Communications of the St. Petersburg University of Management and Economics Technologies.

A. V. Sauts

Determination of MPC Methane in the Air of Populated Areas

St. Petersburg University of Management and Economics Technologies, St. Petersburg, Russia

Abstract. In this work, the values of maximum single and daily average maximum permissible concentration (MPC) of methane in air of populated areas without currently existing hygiene standards. Only roughly safe level (and quality) is regulated in Russia with no regard to time of the negative effects of methane, and the weighted average time admissible "probabilistic" methane concentration (TWA) for air of working zone and residential areas. The disadvantage of probabilistic approach is the difficulty of its practical implementation, as it requires consideration of the variety of harmful factors, degree of importance (weight coefficients), etc., On practice, the condition of the animals and plants can be negatively affected by air contaminated by substances, concentration of which is significantly below the MPC, which in turn motivates the need for the revision of the existing hygienic standards from the point of view of environmental safety. The basis for determining the MPC of methane based on the results of biological studies of the toxic effects of methane on organisms (threshold concentration for the most sensitive reflex test, and absolutely lethal and lethal concentration in air on white rats, white mice, the lethal concentration in water for crustaceans, Daphnia Magna, algae concentration, causing a person asphyxia, Central nervous system depression, changes in the bioelectric activity of the cerebral cortex, light sensitivity eyes). Limited by ethical, economic and temporary reasons of biological assessment methods are supplemented by toxicometric methods. Mathematical processing of the results using the standard geometric deviation was performed. The obtained results were compared to the data of the current hygienic standard. The results are of practical importance to environmental and hygienic standards of environmental safety in residential areas falling within the zone of negative impact from long-acting sources of methane - landfills and dumps of solid household and industrial wastes, swamps, burial grounds, cemeteries, agricultural bioreactors, systems of gas supply of natural gas, oil and gas fields, etc.

Keywords: methane, poisoning, MPC, OBUV, air of populated areas, lethal concentration, biological tests, asphyxia, toxicometry, ecological and hygienic regulation.

Введение

Бесконтрольное антропогенное воздействие на окружающую природу губительно влияет на экосистему и вызывает неблагоприятные последствия у важнейших популяций. Наиболее распространенным видом негативного антропогенного воздействия является загрязнение, причиняющее вред жизни и здоровью самого человека, растительному, животному миру и экосистемам. Для того чтобы поддержать экологическое равновесие, необходимо экологическое нормирование, при котором учитывают возможность элементов биосферы и экологических систем переносить антропогенные нагрузки.

Для регулирования антропогенных нагрузок на окружающую природную среду и обеспечения экологической безопасности в большинстве государств законодательно нормируются значения предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК).

В результате антропогенной деятельности в последние столетия в атмосфере Земли существенно увеличилось содержание метана - газа, образование и распад которого является неотъемлемой частью круговорота углерода на планете. Метан представляет

собой ядовитый парниковый газ, не имеющий запаха. Основными источниками загрязнения воздуха метаном являются полигоны и свалки твердых бытовых (ТБО) и промышленных отходов (ПО) глубиной более 5 м и/или вблизи залегания грунтовых вод [1], болота, сельскохозяйственные биореакторы, кладбища, могильники, утечки природного газа и т. д. Данное вещество приобрело статус «загрязняющее», и нормирование загрязнённости им воздуха, особенно в населённых местах, в настоящее время является весьма актуальной задачей.

Подходы к эколого-гигиеническому нормированию загрязнения воздуха метаном

В настоящее время для воздуха населённых мест для метана определен только ориентировочно безопасный уровень (ОБУВ), равный 50 мг/м3 [2], максимальные разовые (ПДКмр) и среднесуточные (ПДКсс) предельно допустимые концентрации на территории РФ не нормируются [3]. Значение ОБУВ получено приближённо, без учёта длительного пребывания людей в загрязнённой метаном воздушной среде. В соответствии с нормативами Агентства по охране окружающей среды США (EPA USA) средневзвешенная во времени допустимая концентрация метана (TWA) составляет 712,6 мг/м3 [4]. Данное значение получено с использованием «вероятностного» подхода, исключающего использование жёстко фиксированных ПДК. В предельном случае оценка вероятности может дать и значения лимитов на концентрации (уровни) вредных факторов, совпадающие с ПДК. Недостатком вероятностного подхода является трудность его практической реализации, т. к. требуется учесть множество вредных факторов, степень их значимости (весовые коэффициенты) и т. д.

Как показывает практика, на состояние животных и растений может негативно влиять воздух, загрязненный веществами, концентрации которых существенно ниже ПДК [5]. Это в свою очередь вызывает необходимость пересмотра действующих нормативов с точки зрения экологической безопасности.

Действие метана на живые организмы

Метан является биологически инертным газом, способным накапливаться в головном мозге, лёгких, сердце, печени, почках, селезёнке, крови живых организмов [6]. Какое-либо негативное воздействие метана на живые организмы вплоть до концентраций 10000 ppm не выявлено. Барботирование метаном суспензии эритроцитов лабораторных кроликов со скоростью 150 мл/мин в течение 18 ч практически не влияло на цвет или морфологию красных клеток, на рН среды, на содержание АТФ в клетках или на электрофоретический рисунок и спектры поглощения ультрафиолета гемоглобином. При вдыхании воздушной смеси, содержащей концентрацию метана 70%, около 33% испытуемых белых мышей умирали в течение 18 мин [7].

Первые признаки асфиксии у людей начинают проявляться при объемной концентрации метана 25% [10]. При концентрации свыше 40% в воздухе метан вызывает у людей удушье и угнетение ЦНС [8], вдыхание смеси, состоящей на 60% из метана, 21% кислорода и 14% углекислого газа приводит к снижению частоты пульса, кровяного давления и светочувствительности глаз человека. Вдыхание смеси из 94% метана (CL100) и 6% кислорода вызывало у белых крыс первоначальное возбуждение, учащение дыхания, затем через 1-2 ч боковое положение, судороги и гибель [8-10]. Для белых мышей CL100 = 90% [10]. Полулетальная концентрация метана для водных организмов (ракообразных, дафний Магна, водорослей) CL50 > 1000000 мг/м3 [4], для белых мышей в течение 2 ч CL50 = 326000 мг/м3 [10].

Эколого-токсикологическая оценка значения ПДК метана

В настоящее время биологические методы испытаний на токсичность, проводимые на земноводных, птицах и млекопитающих, ограниченные по этическим, экономическим и временным причинам, дополняются методами токсикометрии, ряд уравнений которой приведен ниже.

ПДК (ОБУВ) в воздухе населенных мест веществ, оказывающих влияние: - на нервную и дыхательную системы человека (коэффициент корреляции г = 0,67) [12]:

lgOBYB = 0,69lgLim -2,66;

(1)

- на светочувствительность глаз человека [11]:

lgnAKMp = 0,93lgLimac-0,45; (2)

- на биоэлектрическую активность коры головного мозга человека [13]:

lgnflKMp = 0,97lgLim дс-0,23, (3)

где Limac - пороговая концентрация, мг/м3, оказывающая негативное влияние.

Связь между ПДКсс и CL50 для белых мышей (коэффициент корреляции r = 0,68) [14]:

lgnAKcc = 0,45lgCL50 -1,55. (4)

Связь между ПДКсс и CL50 для водных организмов опосредована через максимальную недействующую дозу (МНД), мг/кг [14]:

^МНД=0,64^ПДКСС +0,08, (5)

^МНД= 0,45lgCL50 -1,55. (6)

Зависимость между ПДКсс и пороговыми концентрациями ядовитого вещества определяется как [14]:

lgnAKcc = 0,63lgCl-0,33lgc2, (7)

где cl - пороговая концентрация по наиболее чувствительному рефлекторному тесту, мг/м3; c2 - пороговая концентрация токсического действия, мг/м3, приближенно определимая как [13, 15]:

c2 « 0,007 CL100, (8)

где CL100 - абсолютно смертельная концентрация для белых мышей, мг/м3;

c2« 0,076 CL0, (9)

где CL0 - максимально переносимая вещества, мг/м3, попадание которого в организм животного (белой мыши) не приводит к его гибели.

Связь между ПДКмр и ПДКсс [13]:

№ДКМР = 1,16 №ДКСС + 0,54. (10)

Значение CL0 при стандартном двухчасовом времени экспозиции можно получить методом экстраполяции по имеющимся данным о смертельных концентрациях для испытуемых белых мышей, однако их значения получены в условиях разного времени вдыхания метана. Поэтому будем рассматривать % смертности белых мышей как функцию от концентрации метана и времени экспозиции и проведём математическую обработку имеющихся данных в программном пакете «Table Curve 3D». Результат приведён на рис.

Используя подобранную в программе аппроксимацию, получим значение CL0 ~ 10,89%, или 73363,752 мг/м3 при стандартном 2-часовом времени экспозиции.

Результаты расчетов и их анализ

Результаты расчётов по формулам (1)-(10) сведены в табл. 1.

Результаты расчетов по критериям светочувствительности глаз и биоэлектрической активности коры головного мозга «выпадают» на фоне действующего норматива и остальных критериев, в связи с чем в дальнейшем целесообразно их не учитывать при расчете среднелогарифмических (среднелогарифмических) ПДК [13].

Rank 31 Eqn 11 z=a+bx+c/y

r2=0.99152407 DF Adj r2=-INF FitSMErr=5.47e9512 Fstat=58.490602 a--6.6062049 b-1.3101457 1^91912828

Рис. 1. Аппроксимация зависимости % смертности белых мышей от концентрации вдыхаемого метана, %, и времени экспозиции, мин

Для статистической оценки полученных результатов расчёта ПДК вычисляется

стандартное геометрическое отклонение sg:

X

ПДК,

п

vg = I0'

X lg ПДКi (11)

10''= "

Значения среднелогарифмических (среднелогарифмических) ПДК метана в воздухе населенных мест приведены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты расчётов ^ПДКмр и ^ПДКсс метана по различным критериям

№ п/п Критерий lg ПДК„ lg ПДКсс

1 Пороговые концентрации по наиболее чувствительному рефлекторному тесту и токсического действия (в зависимости от СЦ00 для белых мышей) 1,94911 1,21475

2 Пороговые концентрации по наиболее чувствительному рефлекторному тесту и токсического действия (в зависимости от СЬ0 для белых мышей) 1,47532 0,806313

3 Удушье и угнетение ЦНС человека 1,08705 0,47160

4 Светочувствительность глаз человека 4,76414 3,64150

5 Биоэлектрическая активность коры головного мозга человека 4,83960 3,70655

6 СЬ для водных организмов 2,47937 1,671875

7 Сио для белых мышей 1,61989 0,930948

- Действующий норматив (1г ОБУВ) 1,69897 1,69897

Таблица 2

Расчетные ПДК метана в воздухе населенных мест

"------- ПДК, мг/м3 s Отклонение от установленного ОБУВ, %

Максимальная разовая 27,23 2,90 45,53

Среднесуточная 7,07 1,92 85,87

Значение < 3, что свидетельствует о некой стабильности, сопоставимости, отсутствии разногласий, разброса между выбранными критериями [13].

Заключение

В данной статье, используя результаты исследований токсического действия метана на живые организмы и методы токсикометрии, нами были получены наиболее вероятные значения максимальных разовых и среднесуточных ПДК метана в воздухе населенных мест. Полученные значения оказались ниже, чем ОБУВ, величина которого установлена действующими гигиеническими нормами.

Результаты работы имеют практическую значимость в эколого-гигиеническом нормировании, обеспечении экологической безопасности населенных мест, вблизи которых расположены длительно действующие источники метана - полигоны и свалки ТБО и ПО, скотомогильники, болота, сельскохозяйственные биореакторы, кладбища, системы газоснабжения природным газом, нефтегазовые месторождения и т. д.

Л и т е р а т у р а

1. Сауц А. В. Обеспечение экологически безопасного воздушного режима зданий, расположенных вблизи полигонов твёрдых бытовых и промышленных отходов: дис. ... к-та тех. наук. - СПб., 2014.

- 141 с.

2. ГН 2.1.6.2309-07. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (с изм. от 21.10.2016).

3. ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (с изм. от 27.01.2009).

4. Научно-обоснованные предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан / ЗАО «Углеметан сервис». Кемерово, 2015. URL:http://www.nature.lenobl.ru/Files/file/otchet_uglemetan_servis_po_zakazu_minprirodu_rf.pdf(дата обращения: 06.12.2017).

5. Красовский Г. Н., Рахманин Ю. А., Егорова Н. А. Экстраполяция токсикологических данных с животных на человека. - М.: Медицина, 2009. - 208 с.

6. Калинина Е. Ю. Токсикологические аспекты судебно-медицинской экспертизы отравлений бытовым газом // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 1-9. - С. 1842-1846.

7. Kamens R. M., Stern A. C. Methane in air quality and automobile exhaust emission standards. J. Air Pollution Control Assoc, 1973, no. 23, pp. 592-596.

8. Крайдашенко О. В., Купновицкая И. Г., Клищ И. Н. Фармакотерапия. - Винница: Нова книга, 2013. - 536 с.

9. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, пер. и доп. В трех томах. Том I. Органические вещества / под ред. Н. В. Лазарева и Э. Н. Левиной. -Ленинград: Химия, 1976. - 592 с.

10. Вредные химические вещества. Углеводороды, галогенпроизводные углеводородов. Справочник / под ред. В. А. Филова. - Ленинград: Химия, 1990. - 732 с.

11. Балахчина Т. К. Оценка воздействия свалочного газа с полигонов твёрдых бытовых отходов на человека // Физиология. Медицина. Экология человека. - 2012. - Выпуск №2/2012. - С. 41-57.

12. Бидевкина М. В. О прогнозировании гигиенических нормативов химических веществ, оказывающих избирательное действие, в атмосферном воздухе населенных мест // Гигиена и санитария. - 2013. - № 5. - С. 95-97.

13. Сердюк В. С., Стишенко Л. Г. Основы токсикологии. - Ханты-Мансийск: РИЦ ЮГУ, 2006.

- 232 с.

14. Смирнов В. Г. Комплексное эколого-токсикологическое регламентирование химических веществ в объектах окружающей среды.: дис. ... д-ра биол. наук. - СПб., 2003. - 227 с.

15. Саноцкий И. В. и др. Методы определения опасности химических веществ (токсикометрия). -М.: Медицина, 1970. - 176 с.

R e f e r e n c e s

1. Sauts A. V. Obespechenie ekologicheski bezopasnogo vozdushnogo rezhima zdanii, raspolozhennykh vblizi poligonov tverdykh bytovykh i promyshlennykh otkhodov: dis. ... k-ta tekh. nauk. - SPb., 2014. - 141 s.

2. GN 2.1.6.2309-07. Orientirovochnye bezopasnye urovni vozdeistviia (OBUV) zagriazniaiushchikh veshchestv v atmosfernom vozdukhe naselennykh mest (s izm. ot 21.10.2016).

3. GN 2.1.6.1338-03. Predel'no dopustimye kontsentratsii (PDK) zagriazniaiushchikh veshchestv v atmosfernom vozdukhe naselennykh mest (s izm. ot 27.01.2009).

4. Nauchno-obosnovannye predlozheniia po razrabotke i metodam vnedreniia innovatsionnykh tekhnologii utilizatsii vybrosov, soderzhashchikh metan / ZAO «Uglemetan servis». Kemerovo, 2015. URL:http:// www.nature.lenobl.ru/Files/file/otchet_uglemetan_servis_po_zakazu_minprirodu_rf.pdf(data obrashcheniia: 06.12.2017).

5. Krasovskii G. N., Rakhmanin Iu. A., Egorova N. A. Ekstrapoliatsiia toksikologicheskikh dannykh s zhivotnykh na cheloveka. - M.: Meditsina, 2009. - 208 s.

6. Kalinina E. Iu. Toksikologicheskie aspekty sudebno-meditsinskoi ekspertizy otravlenii bytovym gazom // Fundamental'nye issledovaniia. - 2015. - № 1-9. - S. 1842-1846.

7. Kamens R. M., Stern A. C. Methane in air quality and automobile exhaust emission standards. J. Air Pollution Control Assoc, 1973, no. 23, pp. 592-596.

8. Kraidashenko O. V., Kupnovitskaia I. G., Klishch I. N. Farmakoterapiia. - Vinnitsa: Nova kniga, 2013.

- 536 s.

9. Vrednye veshchestva v promyshlennosti. Spravochnik dlia khimikov, inzhenerov i vrachei. Izd. 7-e, per. i dop. V trekh tomakh. Tom I. Organicheskie veshchestva / pod red. N. V. Lazareva i E. N. Levinoi. -Leningrad: Khimiia, 1976. - 592 s.

10. Vrednye khimicheskie veshchestva. Uglevodorody, galogenproizvodnye uglevodorodov. Spravochnik / pod red. V. A. Filova. - Leningrad: Khimiia, 1990. - 732 s.

11. Balakhchina T. K. Otsenka vozdeistviia svalochnogo gaza s poligonov tverdykh bytovykh otkhodov na cheloveka // Fiziologiia. Meditsina. Ekologiia cheloveka. - 2012. - Vypusk №2/2012. - S. 41-57.

12. Bidevkina M. V. O prognozirovanii gigienicheskikh normativov khimicheskikh veshchestv, okazy-vaiushchikh izbiratel'noe deistvie, v atmosfernom vozdukhe naselennykh mest // Gigiena i sanitariia. - 2013.

- № 5. - S. 95-97.

13. Serdiuk V. S., Stishenko L. G. Osnovy toksikologii. - Khanty-Mansiisk: RITs IuGU, 2006. - 232 s.

14. Smirnov V. G. Kompleksnoe ekologo-toksikologicheskoe reglamentirovanie khimicheskikh veshchestv v ob"ektakh okruzhaiushchei sredy.: dis. . d-ra biol. nauk. - SPb., 2003. - 227 s.

15. Sanotskii I. V. i dr. Metody opredeleniia opasnosti khimicheskikh veshchestv (toksikometriia). - M.: Meditsina, 1970. - 176 s.

^SHîr^îr