Экология/1

Таловская В.С.

Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН, Россия

Факторы профессионального риска у ликвидаторов лесных пожаров

Природные катастрофы и катаклизмы, сотрясающие земной шар своей мощностью и масштабностью свидетельствуют о том, что человечество вступило в глобальный экологический кризис. Сегодня к таким приоритетным загрязнителям, вызывающим деградацию экологических систем относятся лесные пожары. В Хабаровском крае горимость лесов является одной из наиболее высоких в РФ, что обусловлено специфическими климатическими особенностями и видами горючих материалов, которыми являются злаково-разнотравная растительность и её опад, опад листвы с деревьев и кустарников, зелёные мхи, сфагнум и его очёс (торф), кустарнички и кустистые лишайники, лесные подстилки и хвоя в кронах. Именно эти виды горючих материалов в сочетании с погодными условиями и определяют сезоны, степень пожарной опасности лесов, виды лесных пожаров, скорость их распространения и интенсивность, уровень горимости лесов и пожарные последствия.

Все компоненты биосферы испытывают многофакторное воздействие лесных пожаров. Изменяется качественный и количественный состав атмосферного воздуха. Вместе с растительностью сгорает органическое вещество почв, изменяются её физико-химические свойства. Нарушается водообмен в системе почва–подземные воды, изменяется речной сток и химический состав природных вод.

Химический состав древесного дыма характеризуется наличием большого числа индивидуальных компонентов и представляет собой аэрозольно-газовую смесь СО₂, СО, NO_х, SO₂, Оз, водных испарений, мельчайших твердых частиц, образующихся в результате неполного сгорания органической материи, и продуктов термической трансформации исходных компонентов горючего материала, не подвергшихся полному окислению до элементарных оксидов (углеводороды, моно- и полициклические ароматические соединения (ПАУ)). Элементный состав растительного горючего материала представлен следующим процентным содержанием отдельных элементов по весу: углерод ‒ 50-55%, водород ‒ 5-10%, кислород ‒ 40-45%, азот ‒ 0,1-2,0%, сера ‒ 0,01-0,4%. Около 1% суммарно приходится на все остальные элементы, относительное содержание которых может сильно варьироваться не только от одного вида растительности к другому, но и между отдельными растениями в пределах одного вида. Высокое содержание кислорода по сравнению с ископаемыми видами горючих материалов (уголь, нефть, и т.п.) является важной отличительной особенностью растительных горючих материалов, с одной стороны, понижающей теплотворную способность растительных горючих материалов, а с другой ‒ увеличивающей выход кислородосодержащих продуктов горения, которые в купе с другими факторами придают дыму от сгорания лесных горючих материалов специфические токсикологические свойства. [1, 2, 3]. Химический состав растительного горючего материала, в основном представлен целлюлозой (40-50%), гемицеллюлозой (10-25%) и лигнином (20-30% в вегетирующих и более 60% в разлагающихся частях растений). На эти три типа полимерных соединений приходится около 90% сухого веса растения. Оставшаяся массовая доля приходится на различные низкомолекулярные органические компоненты, состав которых изменяется в больших пределах от одного вида растительности к другому. Установлено, что основным источником ПАУ при сгорании растительного материала являются лигнин и экстрагируемые низкомолекулярные органические соединения [3, 4].

В настоящее время, согласно литературным данным, не представляется возможным производить достоверные оценочные теоретические расчеты компонентного состава дымовых эмиссий [1, 2, 3, 5]. Существующие данные по эмиссиям (т.е. количествам выброса) тех или иных компонентов на единицу сухого веса горючего материала были получены путем проведения аналитических измерений в нативных пожарных условиях, и как правило, их значения разнятся на несколько порядков [4]. Это связано с большой трудностью в проведении исследований в полевых условиях, обусловленных в первую очередь невозможностью контроля условий нативного пожара, агрессивностью среды и невозможностью проведения повторных экспериментов с целью оценки статистической достоверности получаемых результатов. Альтернативой являются лабораторные исследования пожарных эмиссий, которые выгодно отличаются от исследований в нативных условиях возможностью контроля за прохождением эксперимента, детального изучения эмиссий при горении как одного вида горючего материала, так и смеси, и возможностью повторения исследований с целью накопления статистических данных. Лабораторные исследования состава дымовых эмиссий, образующихся при сжигании различных видов горючих материалов, проводятся с начала 70-х гг. и в основном ориентированы на количественное изучение выбросов оксидов углерода, азота и серы и взвешенных частиц в дымовых потоках [4, 5, 6].

Целью настоящего исследования явилась оценка химических факторов органической природы профессионального риска у ликвидаторов лесных пожаров.

Исследования проводились в экспериментальных и натурных условиях. Для изучения качественного и количественного состава органической составляющей дымовых аэрозолей было выполнено лабораторное моделирование пожарных эмиссий. Образцы растительного материала для эксперимента отбирались в районах Хабаровского края, на территориях которых были пожары. Определение органических веществ основывалось на улавливании их из дымовых газов, проходящих через слой адсорбента (активированный уголь), последующим экстрагированием их н-гексаном и анализе экстрактов хромато-масс-спектрометрическим методом на газовом хроматографе Agilent 6850 с масс-селективным детектором Agilent 5973 и капиллярной колонкой Ultra-2. Идентификацию анализируемых веществ осуществляли с применением базы данных библиотек США «NBS» и «Willey», основываясь на временах задержки (удерживания) и ионных отношениях. Проанализировано 98 экстрактов. В дымовых эмиссиях, полученных при сжигании различного растительного материала, выявлены следующие классы органических веществ: алканы (эйкозан, гептадекан, гексадекан, тетрадекан и др., их изомеры), алкены (эйкозен, октадецен, тридецен, тетрадецен и т.д., их изомеры), нафтены (циклопропан, циклотетрадекан, циклотридекан и др.), одно и двухатомные фенолы и их производные, ПАУ (производные фенантрена, антрацена, нафталина), сложные эфиры, органические кислоты (С₁₆-С₁₈)_, эфиры фталевой кислоты, гиббереллины, производные бензофурана и др. Максимальное количество алканов (71 %) обнаружено при сжигании лиственной растительности, а максимальное количество алкенов (34 %), ПАУ (23 %), замещённых фенолов (50 %) определено в дыме хвойной растительности. В дыме от сгораемого торфа были выделены в максимальном количестве (10 %) нафтены. Алканы, алкены, ПАУ в 100 % случаев встречаются при горении торфа, мха и в пепле. Токсическое действие обнаруженных в дыме углеводородов установлено в производственных условиях [7]. Органы-мишени патологического воздействия этих веществ ‒ органы кроветворения, печень, почки, центральная нервная система. ПАУ, кроме того, обладают потенциальной канцерогенной и мутагенной активностью.

Приоритетной группой риска, которая в первую очередь испытывает неблагоприятное воздействие дыма лесных пожаров была выбрана группа ликвидаторов лесных пожаров. Обследовано 148 ликвидаторов из разных районов Хабаровского края, привлечённых на постоянной основе (29 %) и временной (72 %). Возраст ликвидаторов варьировал от 20 до 60 лет, на долю 20-30 лет приходилось 49 %. В большинстве случаев ликвидаторы были задействованы на тушении низовых пожаров (85 %). Ежедневное пребывание их в условиях высокой задымлённости составляло 8-10 часов. Следовательно, определение качественного состава дымовых аэрозолей было одной из актуальных задач данных исследований. Для установления степени выраженности неблагоприятных факторов на состояние здоровья ликвидаторов были сформированы группы, отличающиеся по стажу участия в тушении пожаров за период 1998-2005 г.г. В первую группу вошли ликвидаторы, принимавшие участие в тушении менее 30 дней, во вторую ‒ от 30 до 100 дней, в третью ‒ более 100 дней. Кроветворная система является наиболее уязвимой в организме человека для отрицательного воздействия факторов окружающей среды и может служить маркером этого влияния. У обследованных была взята кровь на хромато-масс-спектрометрический анализ и на общий клинический анализ (оценивался по 17 параметрам) стандартным методом. Дополнительно в крови определялись биохимические показатели функционального состояния внутренних органов.

Обнаруженные в крови ликвидаторов ксенобиотики по своему качественному составу были идентичны токсическим углеводородам, определённым в эксперименте, за исключением замещенных фенолов, которые отсутствовали. По максимальному содержанию и встречаемости среди углеводородов превалируют алканы (80 %) и алкены (45 %). В 35 % проб крови ликвидаторов выявлены нафтены и в 11 % ‒ ПАУ. Известно, что функциональное состояние крови является объективным и достоверным показателем состояния организма.

Таблица. Распределение патологических изменений гемограммы у ликвидаторов в зависимости от времени участия в тушении пожаров (%)

Участие в тушении пожаров	Гемоглобин ˃ 160 г/л	Цветовой показатель ˃ 1,05	Лейкоциты ˃ 9х10^3/мкл	Токсогенная зернистость
I гр. менее 30 дней	18	23	12	15
II гр. 30-100 дней	26	29	11	17
III гр. более 100 дней	33	38	20	23

При анализе гематологических показателей выявлено следующее: наиболее выраженные изменения крови наблюдались в группе ликвидаторов с большим стажем тушения пожаров (табл.). Увеличение гемоглобина в крови может быть следствием длительного воздействия окиси углерода (содержание в воздухе при высокой задымлённости достигало 40 мг/м³) и хронической кислородной недостаточности. Химическую этиологию лейкоцитоза подтверждают дегенеративные изменения лейкоцитов: токсогенная зернистость, наличие плазматизации цитоплазмы лейкоцитов; увеличение содержания в крови имуннокомпетентных клеток ‒ лимфоцитов и эозинофилов. Сенсибилизирующее действие токсических веществ сопровождается базофилией [8]. При исследовании биохимических показателей крови практически у всех обследованных установлено повышение показателей перекисного окисления липидов (малонового диальдегида и диеновых коньюгатов), превышающее верхнюю границу нормы в 2 раза, что свидетельствует о токсическом действии обнаруженных в крови биомаркёров. У 34 % ликвидаторов наблюдалось увеличение содержания белка, что может быть связано как с увеличением уровня глобулинов, так и относительным повышением за счет дегидратации. Также имелись явления цитолиза в печени ‒ активность АЛТ (аланин-аминотрансфераза) повышена у 43 % обследованных, АСТ (аспартат-аминотрансфераза) ‒ у 34 %, ГГТП (Y-глутаматтранспептидаза) ‒ у 19 %, что обусловлено токсическим воздействием на гепатоциты [9].

Таким образом, проведённые экспериментальные и натурные исследования показали, что дым, образующийся при горении растительного материала, является поликомпонентной смесью, содержащей большой набор опасных для здоровья человека токсичных веществ, которые можно считать приоритетными факторами профессионального риска для ликвидаторов лесных пожаров, а также представляющих существенный экотоксикологический риск для здоровья населения Хабаровского края в периоды высокой задымленности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства природных ресурсов Правительства Хабаровского края.

Литература:

1. Валендик Э.Н., Гевель Н.Ф. О полноте сгорания некоторых лесных горючих материалов // Проблемы лесной пирологии. Красноярск. 1975. С. 127-137.

2. Демидов П.Г. Горение и свойства горючих веществ. М. 1962

3. McMahon С.К., Tsoukalas S.N. Polynuclear Aromatic Hydrocarbons in Forest Fire Smoke. // Carcinogenesis. 1978. v. 3. P. 61-73.

4. Edwards R.D., Smith K.R.,. Zhang J, Ma Y. Models to predict emissions of health-damaging pollutants and global wanning contributions of residential fuel/stove combinations in China. // Chemosphere. 2003. v. 50. No 2. P. 201-215.

5. Clements H.B., McMahon C.K. Nitrogen oxides from burning forest fuels examined by thermogravimetry and evolved gas analysis. // Thermochimica Acta. 1980. v. 35. P. 133-139.

6. Venkataraman C., Rao G.U. Emission factors of carbon monoxide and size-resolved aerosols from biofuel combustion. // Environ Sci Technol. 2001. v. 35. No 10. P. 2100-210.

7. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводородов. / Под ред. Филова В.А. и др. Л: Химия. 1990. С. 235-268.

8. Рябкова В.А., Брылева И.Н., Филонов В.А. Патологические изменения гемограммы и морфоструктуры сыворотки крови у населения, подвергшегося длительному воздействию дыма лесных пожаров. Дальневосточная весна ‒ 2006: Материалы межд. науч.-практич. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности. (г. Комсомольск-на-Амуре, 27 апреля 2006 г.): Редкол.: И.П. Степанова ‒ (отв. ред.) и др. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО КнАГТУ. 2006. С. 208-211.

9. Рябкова В.А., Таловская В.С., Артеменко Л.Н., Трутенко Е.В., Антоненко С.А., Рябцева Е.Г. Токсические углеводороды как фактор профессионального риска у ликвидаторов лесных пожаров. Дальневосточная весна ‒ 2006: Материалы межд. науч.-практич. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности. (г. Комсомольск-на-Амуре, 27 апреля 2006 г.): Редкол.: И.П. Степанова ‒ (отв. ред.) и др. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО КнАГТУ. 2006. С. 212-215.