CC BY
10
Гигиена атмосферного воздуха
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 1993 УДК в 16-006.6-02:614.715.в 15.277.41-07
В. А. Книжников, Н. К■ Шандала, В. А. Комлева, Н. В. Лиховайдо, А. И. Швецов
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАНЦЕРОГЕННОГО РИСКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИИ И ЗАГРЯЗНЕНИИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА УГОЛЬНОЙ ЗОЛОЙ
И БЕНЗ(А)ПИРЕНОМ
Институт биофизики Минздрава РФ, Москва
В большинстве крупных городов атмосферный воздух загрязняется как химическими канцерогенами, в частности полициклическими ароматическими углеводородами, так и летучей угольной золой, содержащей металлы, минералы и естественные радиоактивные нуклиды.
До настоящего времени неясен относительный вклад в заболеваемость населения раком легких различных канцерогенных факторов. В связи с этим была предпринята попытка в экспериментальных исследованиях оценить риск индукции злокачественных опухолей легких под влиянием реально встречающихся в атмосферном воздухе населенных мест концентраций бенз(а)пирена (БП) и летучей угольной золы, а также сравнить этот риск с риском за счет ионизирующих излучений, воздействию которого постоянно и повсеместно подвергается население.
Исследования были проведены на 800 белых беспородных мышах-самках, разделенных на 8 групп по 100 животных в каждой. Известно, что у беспородных мышей часто, как и у человека, наблюдаются в легких спонтанные опухоли.
Хроническую затравку золой или БП проводили в специальных ингаляционных камерах, дающих животным возможность для естественного перемещения. В камерах поддерживали заданную концентрацию аэрозолей. Время пребывания мышей в камерах в опыте с БП — по 6 ч в день в течение 3 мес (всего 40 раз), в опыте с угольной золой — по 7 ч в день в течение 5 мес (всего 48 раз). Концентрации летучей угольной золы и БП были близки к реально встречающимся в атмосферном воздухе городов
(табл. 1). Активный медианный аэродинамический диаметр (АМАД) частиц угольной золы и БП, определенный с помощью импактора, составлял соответственно 4,1 и 5,9 мкм. В легких экспериментальных животных задерживалось 25 % ингалированных частиц летучей угольной золы и 9 % пыли БП.
Наблюдение за животными осуществляли до их полной естественной гибели. Погибших животных подвергали патологоанатомическому исследованию.
При математической обработке данных для определения достоверности показателей использовали параметрический критерий Стьюдента. Соотношение между выходом опухолей и количеством задержанной в легких угольной золы или БП (доза—эффект) определяли на ЭВМ.
Обобщенные данные, отражающие схему опытов и частоту опухолей легких у мышей в результате хронического ингаляционного воздействия БП и летучей угольной золы, представлены в табл. 1.
Необходимо отметить, что морфологическая диагностика опухолей в легких сопряжена с трудностями дифференциальной диагностики доброкачественных опухолей легких (аденом) и злокачественных (аденокарцином). Аденомы легких — опухоли без инвазивного роста, клеточного атипиз-ма и тканевого полиморфизма. Альвеолярные раки — опухоли с признаками инвазивного роста, атипизма и полиморфизма. Деление этих опухолей на доброкачественные и злокачественные, по мнению большинства специалистов, условное. Правильнее их рассматривать как последователь-
Таблица I
Частота возникновения опухолей легких у мышей в зависимости от поступления угольной золы и БП с воздухом
Показатель Группа животных
1-я (контроль) 2-я 3-я 4-я
Опыт с угольной золой Концентрация угольной золы в воздухе камеры, мг/м3 0
Доза угольной золы, задержавшейся в легких, мг на I г т! Процент животных с опухолями
Процент животных с опухолями, индуцированными золой
Опыт с 6енз(а)пиреном
Концентрация БП в воздухе камеры, мкг/м3
Доза БП, задержавшегося в легких, мкг на 1 г ткани*
Процент животных с опухолями
Процент животных с опухолями, индуцированными БП
0 0 14 0
2,5 1,0 22»** 15
0.2 0,025 23 9
5,0 2,0 19** 12
6,3 0,8 37 13
10,0 4,0 13 6
78,0 9,0 40***
26
Примечание. Одна звездочка доза (количество) золы или БП, задержавшегося в легких, рассчитана по АМАД соответствующих аэрозолей; две звездочки — р<0,05 по сравнению с контролем; три звездочки — р<0,01 по сравнению с контролем.
Таблица 2
Латентные периоды возникновения опухолей легких при вдыхании различных концентраций угольной золы, дни
Группа животных
Показатель 1-я 2-я 3-я 4-я
концентрация золы, мг/м*
0 2.5 5.0 10.0
СЛП 615±45 545±47 —70 523±40 —92 457±59** —158
Время появления перзой опухоли легких 488 217 283 221
— —271 -205 -267
СЛП25% 490 ±3 402±47 —88 349±47** —141 228±9* —262
слп50 % 504± 10 458±49 -46 409±36** —95 280±30* —224
Примечание. Числитель — изучаемый показатель, знаменатель — сокращение его по сравнению с контролем; одна звездочка — р<0,01 по сравнению с контролем; две звездочки — р<0,05 по сравнению с контролем.
ные стадии развития одной и той же опухоли, приобретающей в ходе прогрессии возрастающие при-^ знаки злокачественности. Исходя из этого, при оценке канцерогенности учитывали не только аде-нокарциномы, но и все виды опухолей легких.
В табл. 2 приведены данные о среднем латентном периоде (СЛП) появления опухолей, времени до появления первой опухоли (от начала затравки), а также СЛП для первых 25 и 50 % опухолей у мышей, вдыхавших угольную золу (СЛП25% и СЛП50%). Мы считаем эти показатели длительности латентного периода весьма важной дополнительной характеристикой канцерогенной активности изучаемых агентов.
Данные табл. 1 и 2 свидетельствуют о наличии канцерогенных свойств при ингаляционном поступлении в легкие как у БП (что и следовало ожидать), так и у угольной золы (о таких свойствах золы ранее не сообщалось). Следует отметить, что угольная зола значительно более слабый канцероген, чем БП,— для разных кон-(, центраций в пределах 1—3 порядков. Заслуживает внимания также тот факт, что форма зависимости доза — эффект для обоих изучавшихся агентов неодинакова — для золы она близка к линейной, а для БП весьма далека от нее.
Представленные в табл. 1 данные по соотношению доза—эффект (под дозой понимается количество БП или угольной золы, задержавшееся в легочной ткани за весь период ингаляционной затравки) могут быть описаны функционально. Современные представления о механизмах канцерогенеза указывают на правомерность математической обработки полученных данных с экстраполяцией в область доз ниже фактически использованных.
Математическая обработка данных 2 экспериментов позволила получить следующие уравнения г зависимости доза—эффект:
для угольной золы — и——3,5х2-|-14,5*, (1) для БП — «/=16,4-(гГ19, (2)
где у — процент животных с опухолями легких, х — доза угольной золы (в мг на 1 г ткани легких); г — доза БП (в мкг на 1 г ткани легких).
> Приведенные в табл. 1 и 2 данные требуют обсуждения прежде всего следующих вопросов. Если угольная зола обладает канцерогенными
свойствами, то за счет чего? Почему эти свойства не были выявлены в других схожих исследованиях, например, в работе 5. Регзэоп и соавт. [3]?
Изучение содержания в золе радионуклидов, БП и ряда металлов, проведенное нами ранее, показало, что в угольной золе присутствуют существенные количества хрома, никеля, кадмия, мышьяка и других металлов. Присутствие в летучей золе радионуклидов (радий-226, торий-232, калий-40) создают в легких дозы, явно недостаточные для того, чтобы вызвать наблюдавшийся эффект усиления канцерогенеза примерно вдвое. Слишком мало также для индукции обнаруженного в наших опытах канцерогенного эффекта содержание в золе БП (0,06 мкг/г) [1, 2].
В отличие от радионуклидов и БП такие металлы, как хром, бериллий и др., накопились в легких каждого животного в количестве 1017 молекул и более [2]. Этого количества достаточно, чтобы вызвать рак. Таким образом, канцерогенная активность угольной золы вполне закономерна. Что касается второго вопроса, то ответ на него мы видим в том, что в упомянутой [3] и подобных работах с БП и угольной золой агенты вводили животным не естественным (ингаляционным) путем, а интратрахе-ально в виде суспензии. Через 0,5—4 ч после введения агенты из легких практически полностью отторгались. В нашем исследовании контакт агентов с легочной тканью был более многократным и гораздо более продолжительным. Кроме того, при использованной нами методике ингаляционной затравки не имело места грубое нарушение физиологии легких, характерное для интратрахеальных введений.
Обнаружение канцерогенности угольной золы ставит важный вопрос о сравнительной оценке величины риска угольной золы и БП — наиболее распространенного в атмосфере и изученного канцерогена.
Зависимости (1) и (2), позволяющие ориентировочно прогнозировать выход опухолей в широком диапазоне доз как для БП, так и для угольной золы, предоставляют возможность получить ответ на вопрос о сравнительной опасности обоих агентов.
Риск возникновения злокачественных опухолей
легких у экспериментальных животных при ингаляции летучей угольной золы в течение 330 ч на уровне ПДК в атмосферном воздухе — 0,05 мг/м3 (около 0,02 мг на 1 г ткани легких) согласно уравнению (1) возрастает на 0,27 % над спонтанным опухолеобразованием. Эта величина столь невелика, что наблюдать ее непосредственно невозможно. Если принять, что канцерогенная эффективность угольной золы для мыши и человека одинакова и при хроническом поступлении зависит только от удельной дозы (массы канцерогена на 1 г массы легких), то ПДК золы для атмосферного воздуха (0,05 мг/м3) обусловливает для населения риск увеличения заболеваемости раком на аналогичную величину — 0,27 % над спонтанным уровнем.
Соответствующий расчет риска, сопутствующего ПДК БП в атмосферном воздухе (0,1 мкг/100 м3), показывает, что за 50 лет при задержке в легких 20 % ингалируемого количества БП в них осядет 0,07 мкг на 1 г легочной ткани. Подобная доза может дополнительно вызвать рак легких у 10 % мышей. Таким образом, действующая ПДК для летучей золы в атмосфере с точки зрения канцерогенной опасности почти в 40 раз жестче, чем ПДК для БП.
Означает ли констатирование низкой по сравнению с БП канцерогенной активности поступающей в атмосферу угольной золы, что она не представляет реальной опасности и практического интереса? Очевидно, нет, если принять во внимание, что эта зола выбрасывается в атмосферу миллионами тонн. При этом прямой канцерогенный эффект проявился в наших опытах при концентрациях золы в воздухе, достаточно близких к тем, которые реально могут присутствовать в атмосфере. Следует также учитывать, что канцерогенный эффект золы, как и других канцерогенных факторов, в частности ионизирующей радиации, возможно, не имеет порога.
Данные табл. 1, уравнения (1), (2) и известные зависимости доза—эффект для ионизирующей радиации (облучение 1 млн человек в дозе 0,01 Зв дает 500 смертельных заболеваний раком) позволяет рассчитать ориентировочный радиобиологический эквивалент канцерогенности (РЭК) для БП и летучей угольной золы. Аналогичный риск смерти от индуцированного рака возникает как при общем гамма-облучении всего тела в эффективной эквивалентной дозе 0,054 Зв, так и в случае ингаляции летучей угольной золы в концентрации 0,05 мг/м3. При воздействии БП в концентрациях 15 и 0,1 мкг на 100 м3 воздуха РЭК для них составит соответственно 3,5 и 2 Зв.
В случае вдыхания изученных агентов беспрерывно в течение всей жизни опасность для мышей угольной золы и БП, поступающих на уровне ПДК в атмосферном воздухе, по показателю канцерогенеза в легких возрастает примерно на порядок. Соответственно возрастает и радиационный эквивалент канцерогенности для указанных концентраций (до 0,5 и 20 Зв за жизнь). Как показали наши наблюдения, обычно эффект дей-
ствия канцерогена тем пропорционально выше, чем выше частота спонтанных опухолей. Последние у мышей в легких встречаются в 3—5 раз реже, чем у человека. В связи с этим опасность золы для человека соответственно в 3—5 раз ниже выявленной в опыте.
Полученные в экспериментах зависимости доза—эффект могут быть использованы как для расчета ПДК, соответствующей заданному риску, так и для оценки потенциального риска, обусловленного реальными выбросами в атмосферу угольных теплоэлектростанций. Подобные расчеты и оценки важны для решения задач по сравнению риска канцерогенеза за счет выбросов в атмосферу, в частности АЭС и угольных ТЭС, на единицу вырабатываемой ими электроэнергии. До сих пор возможность подобных количественных оценок отсутствовала. Следует, однако, иметь в виду, что канцерогенность угольной золы может варьировать в зависимости от вида угля и химического состава его золы.
Если принять, что риск возникновения опухолей легких у населения за счет летучей золы не должен превышать риска, создаваемого естественным радиационным фоном, то допустимая среднегодовая концентрация угольной золы в атмосферном воздухе не должна превышать 0,002 мг/м3, что ниже существующей в нашей и ряде стран среднесуточной ПДК в 25 раз. Таким образом, среднесуточная ПДК для золы может быть рекомендована по этому критерию на уровне 0,01 мг/м3.
Действующий норматив БП в атмосферном воздухе, по нашим расчетам, сопряжен с риском для населения, который в 4 раза выше действующего норматива допустимого годового облучения отдельных групп населения (0,005 Зв) и в 40 раз выше норматива, рекомендованного для всего населения Международной комиссией по радиологической защите (0,001 Зв).
Таким образом, действующие в нашей стране нормативы для угольной золы и БП в воздухе не избавляют население от риска развития рака, степень которого существенно выше, чем от облучения на уровне регламентов радиационной безопасности.
Литература
1. Книжников В. А., Грозовская В. А.. Литвинов Н. Н. и др. Гигиенические i роблемы радиационного и химического канцерогенеза.— М., 1979.— С. 74—79.
2. Книжников В. А.. Новикова Н. К., Грозовская В. А. и др. // Гиг. и сан,- 1987,-№ 3,-С. 10-13.
3. Persson S., Ahlberg М.. ВегцНеш L. et al. // Environm. Hlth Perspect.- 1988.— Vol. 77,— P. 109-120.
Поступила 07.07.92
Summary. Experiments were made with 800 white outbred mice inhaling benzo[a)pyrene (BP) and volatile coal ash for a long time. Experiments showed that BP is 10-1000-fold more carcinogenic than volatile coal ash. BP inhalation at a sanitary standard level (0.1 |ig/100 m3 of air) corresponds to equivalent risk of total gamma-emission about 2 Sv. Coal ash inhalation in concentration 0.05 mg/m3 corresponds to the same equivalent risk as for the dose 0.05 Sv.
