Вдыхание является основным путем воздействия, который происходит, когда человек вдыхает загрязненный воздух, который попадает в дыхательные пути. Определение поглощения загрязняющих веществ дыхательной системой может определить, как результирующее воздействие способствует дозе . Таким образом, механизм поглощения загрязняющих веществ дыхательной системой может быть использован для прогнозирования потенциальных последствий для здоровья в пределах человеческой популяции. [1]
Под воздействием обычно понимают концентрацию загрязняющего вещества в воздухе на границе рта и носа. Наружные концентрации часто измеряются на стационарных участках или оцениваются с помощью моделей. Доля этой концентрации в окружающей среде, вдыхаемая человеком, зависит в основном от его местоположения (в помещении или на улице), расстояния до источников загрязнения и минутной вентиляции . Традиционно воздействие оценивается на основе наружных концентраций по адресу проживания. Поездки в другие места и уровень физической активности в основном игнорируются, хотя некоторые недавние исследования пытались использовать портативные и носимые датчики. [2]
Доза поступления — это масса загрязняющего вещества, которая пересекает границу контакта и вдыхается человеком. Часть этого загрязняющего вещества выдыхается, а фракция, которая поглощается дыхательной системой, известна как поглощенная доза . Часть загрязняющего вещества может также выделяться при чихании, кашле, сплевывании или глотании. Оставшийся загрязняющий элемент, который транспортируется через жидкий слой, контактируя с тканями дыхательных путей, — это фракция биодоступности , называемая эффективной дозой.
В 1970 году поправки к Закону о чистом воздухе установили шесть критериев загрязнителей воздуха, которые периодически обновляются Национальными стандартами качества окружающего воздуха (NAAQS) и Агентством по охране окружающей среды США (USEPA). Шесть критериев загрязнителей были определены на основе научных знаний о влиянии загрязняющих веществ на здоровье. Шесть критериев следующие: твердые частицы (PM), оксид азота NO
2, озон О
3, диоксид серы SO
2, оксид углерода (CO) и неметановые углеводороды (NHMC). Твердые частицы (ТЧ) делятся на два размера: ТЧ 10 , которые называются вдыхаемыми ТЧ, и ТЧ 2,5 , которые называются мелкими ТЧ.
Диффузия O
2из воздуха в легких в кровоток и диффузия CO
2из кровотока обратно в легкие является неотъемлемой частью человеческого дыхания. Поглощение и диффузия газов — двунаправленный процесс. После того, как газы абсорбируются в слизь или слой поверхностно-активного вещества, растворенные газы могут десорбироваться обратно в воздух в легких. Газы могут диффундировать в любом направлении в зависимости от градиента концентрации между двумя слоями. Газы могут вступать в химическую реакцию во время транспортировки в кровоток.
Оценки сопротивления газа, слизи и ткани в терминальных бронхиолах для SO
2, О
2, и CO показывают, что SO
2имеет самое быстрое поглощение из-за его высокой растворимости в воде и очень низкого сопротивления слизи и слоев тканей. Озон и CO имеют более низкую растворимость в воде и более высокое сопротивление массопереносу. Озон является наиболее реактивным, снижая массоперенос в ткани и кровь. CO имеет самое медленное поглощение и самое высокое сопротивление в терминальных бронхиолах.
Осаждение загрязняющих частиц в легких необходимо до того, как частицы смогут пройти через слизь в легочную ткань. Существует четыре механизма осаждения: перехват, импакция, гравитационное осаждение и броуновская диффузия. Перехват происходит, когда частица удаляется после соприкосновения с препятствием. Импакция происходит, когда частица сталкивается с поверхностью дыхательных путей из-за высокой инерции. Гравитационное осаждение происходит под влиянием силы тяжести, которая заставляет частицу оседать на дыхательных путях. Броуновское движение вызывает случайное столкновение молекул газа с частицей, пока частица не попадет в дыхательные пути.
Прогнозирование места осаждения частиц в дыхательных путях зависит от размера и типа частицы. Крупные частицы, происходящие из природных источников, таких как пыль, песок и гравий, имеют тенденцию оседать в носоглоточной области. Мелкие частицы, происходящие из антропогенных источников, таких как ископаемое топливо и курение, обычно оседают в легочной области. Большая часть газообмена происходит в легочной области из-за альвеол , которые содержат большую площадь поверхности.
Ученые выявили положительную корреляцию между концентрацией твердых частиц, являющихся причинным фактором респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний. Твердые частицы также могут быть причиной до 20 000 смертей ежегодно и обострения астмы. Количественная оценка дозы, определение общего количества частиц, отложившихся в легочной области, площади поверхности частиц, кислотности частиц и формы важны для определения воздействия на здоровье. Большая площадь поверхности приведет к тому, что больше токсинов будут доступны для всасывания в слизь. Такие частицы, как асбест, обладают способностью постоянно застревать в альвеолах, вызывая рак в некоторых случаях.
Растворимые твердые частицы могут быть крайне вредны для дыхательных путей из-за их способности растворяться в слое слизи или поверхностно-активного вещества. Это может раздражать ткани, изменяя pH, и переноситься в остальную часть тела или желудочно-кишечный тракт. Нерастворимые твердые частицы, такие как частицы свинца, оседают в носоглоточной области и могут быть удалены путем сморкания, вдыхания носом или сплевывания. Однако глотание может привести к попаданию частиц в желудочно-кишечный тракт. Частицы в трахеобронхиальной области могут быть удалены ресничками , которые перемещают частицы в слизь. Нерастворимые частицы, которые попадают в легочную область, вызывают отек альвеол, кашель и одышку.
Угарный газ — относительно нереактивный газ с ограниченной растворимостью. Высокие уровни CO накапливаются в области легких в течение нескольких часов и уравновешиваются с концентрацией вдыхаемого CO. Воздействие угарного газа опасно из-за его токсичной природы без запаха. Поскольку газу требуется время для накопления в области легких, вдыхаемая концентрация 600 ppm вызовет головную боль и снизит умственные способности в течение часа без каких-либо других симптомов. В конечном итоге это вещество вызовет кому. Равновесие CO в крови достигается между 6–8 часами воздействия постоянной концентрации в воздухе.
Базовый уровень карбоксигемоглобина (COHb) содержится в крови из-за небольших количеств CO как побочного продукта в организме. Общее количество COHb, присутствующее в организме, эквивалентно базовому уровню COHb в дополнение к экзогенному уровню COHb.
[COHb] общий = [COHb] баз + [COHb] экзо
Методы снижения воздействия рисков при вдыхании можно обобщить с помощью Иерархии контроля, созданной Национальным институтом охраны труда и здоровья (NIOSH). Эта система включает 5 шагов: Устранение, Замена, Технический контроль, Административный контроль и Средства индивидуальной защиты. В этом порядке они соответствуют своей эффективности, причем Устранение является наиболее эффективным, а Средства индивидуальной защиты — наименее эффективным. [3]
Подводя итог каждому элементу:
Устранение: Полностью устраняет опасность.
Замена: замена опасности на другую, менее опасную.
Инженерный контроль : методы, используемые для изоляции опасности от работающих поблизости людей.
Административный контроль : изменение способа выполнения работы с целью снижения количества, времени, серьезности воздействия и т. д.
Средства индивидуальной защиты : предметы одежды, предназначенные для защиты от прямого воздействия.
Каждый из этих методов контроля может быть использован для ограничения воздействия химикатов и частиц при вдыхании различными способами. Ниже приведены несколько распространенных методов. Важное замечание в отношении следующего заключается в том, что существует множество других методов, стратегий, систем и т. д., которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности и на рабочих местах, которые могут не быть перечислены.
Устранение можно применять к ингаляционным воздействиям, просто убрав источник загрязняющих газов. Примером этого может служить ситуация, когда любой тип транспортного средства «удаляется» с рабочего места, чтобы очистить зону производства загрязняющих газов от сжигания ископаемого топлива.
Замещение может быть применено путем замены источника загрязняющих газов на те, которые производят меньше или менее вредных побочных продуктов. Пример этого можно увидеть, когда электромобили используются для «замены» своих коллег, сжигающих ископаемое топливо, на рабочем месте.
Инженерные средства контроля можно увидеть в «инструментах и оборудовании», которые устанавливаются и внедряются для удаления вредных продуктов, создаваемых различными процессами. Это может быть сделано с помощью систем вытяжки дыма, установленных для удаления загрязняющих газов из атмосферы. Это часто сочетается с системой, которая подает свежий воздух в окружающую среду.
Административный контроль может быть использован для снижения ингаляционного воздействия, часто с помощью методов, чтобы заставить работников выполнять свои задачи только определенным образом. Часто это делается посредством обучения и подготовки, которые предоставляются работникам/служащим.
Средства индивидуальной защиты могут использоваться посредством «носимых предметов», таких как автономный дыхательный аппарат (SCBA) [4] в качестве одежды для защиты работника от воздействия атмосферы, которая может вызвать болезнь или смерть. Они часто используются в средах, которые представляют непосредственную опасность для жизни и здоровья, или IDLH. [4]
IDLH- атмосферы возникают там, где загрязнение загрязняющими газами создает среду, в которой люди могут получить серьезные травмы или погибнуть без надлежащей защиты органов дыхания. [5] Загрязняющие газы, которые наносят вред дыхательной системе, такие как CO ( угарный газ ), CO2 ( диоксид углерода ) и HCN ( цианистый водород ), среди многих других, могут создавать потенциально смертельную среду в правильных концентрациях. Все загрязняющие газы имеют свои уникальные характеристики с точки зрения концентраций IDLH, побочных эффектов и канцерогенной природы, [6] среди других черт. Часто в IDLH-атмосферах не хватает кислорода, необходимого для поддержания жизни человека. Это часто происходит из-за удушающих [7] газов, таких как CO2, вытесняющих кислород из окружающей среды ниже уровня, который может быть безопасно вдыхаем человеком.
Из-за чрезвычайно опасной природы сред IDLH их часто избегают всеми возможными способами. К сожалению, атмосферы IDLH могут быть созданы различными способами с использованием многих типов химикатов и загрязняющих газов. Это привело к тому, что многие организации и агентства, в первую очередь пожарные части и персонал пожарной службы, стали использовать автономные дыхательные аппараты для безопасной работы в этих атмосферах.
Концентрации атмосфер IDLH измеряются в частях на миллион (ppm). Части на миллион определяют, сколько химического вещества необходимо в соотношении с воздухом для создания атмосферы IDLH. Например, значение IDLH 4 ppm означает, что для создания атмосферы IDLH требуется всего 4 галлона химического вещества на 1 000 000 галлонов воздуха. Более низкие значения IDLH ppm соответствуют меньшему количеству химического вещества, необходимому для создания атмосферы IDLH. И наоборот, более высокое значение IDLH ppm соответствует большему количеству химического вещества, необходимому для создания атмосферы IDLH. Любое количество этих химических веществ, равное или превышающее эти значения IDLH, создает среду, непригодную для выживания человека, или непосредственно опасную для жизни и здоровья (IDLH). Эти значения могут сильно различаться в зависимости от задействованных химических веществ и их характеристик. Например, значение IDLH гексафторида теллура составляет всего 1 ppm, тогда как значение IDLH метилового спирта составляет 6000 ppm. [8] Другими словами, метиловый спирт в 6000 раз менее эффективен, чем гексафторид теллура, поскольку для создания атмосферы IDLH его требуется в 6000 раз больше.
Замкнутое пространство — это область, которая имеет ограниченные пути выхода и не сконструирована для поддержки пребывания. В связи с этим для выполнения задач в них требуются разрешения для работников. [9] Небольшая, лишенная вентиляции природа этих областей часто создает скопление газов внутри них. Часто это газы, которые плотнее воздуха и естественным образом оседают в низинных областях. К ним относятся, помимо прочего, пропан, сероводород , диоксид серы и диоксид углерода. Несмотря на то, что часто более плотные газы оседают в этих областях, более легкие газы, такие как метан (часто встречающийся в канализации), также могут собираться в этих областях.
Из-за потенциального накопления этих газов в зону часто закачивают свежий воздух, чтобы помочь вытеснить эти газы из оборудования, размещенного снаружи. При этом часто используются системы мониторинга атмосферы, чтобы лучше понять концентрацию кислорода и воздействие токсичных или ядовитых газов. Эти системы помогают работникам определить необходимое количество средств индивидуальной защиты или другие методы контроля, необходимые для смягчения воздействия.
Замкнутые пространства бывают разных видов. Как упоминалось ранее, любая область с ограниченным выходом и не предназначенная для размещения людей может быть замкнутым пространством. Сюда входят такие области, как канализация, силосы, бункеры, складские помещения и туннели.
Эти загрязняющие газы можно в целом описать как газы и химикаты, которые могут привести к раку или другим хроническим последствиям для здоровья, когда люди подвергаются их воздействию. Распространенные канцерогенные загрязнители включают формальдегид , четыреххлористый углерод , ацетальдегид , бензол , 1,3-бутадиен , нафталин , соединения мышьяка , соединения хрома , PAHPOM и тетрахлорэтилен , среди прочих. Эти химикаты могут вызывать рак челюстно-лицевых структур , дыхательной системы и/или печени. Как и в случае со всеми химикатами и газами, количество воздействия важно для понимания их опасности. Некоторые химикаты обладают серьезными канцерогенными свойствами даже при быстрых, очень низких концентрациях, в то время как другие требуют частого и интенсивного воздействия, чтобы наблюдать проблемы, связанные с раком. Независимо от канцерогенных химикатов, надлежащие исследования должны проводиться в соответствии с правилами для ограничения воздействия. [10]
В США многие уровни правительства и агентства признают серьезность загрязняющих газов, канцерогенов, химического воздействия и последствия, которые они могут вызвать. Эти группы часто принимают законы, чтобы исключить их из потребительских товаров и процессов, чтобы снизить потенциал воздействия. Некоторые агентства, которые исследуют и/или регулируют химические вещества, включают OSHA, [11] NIOSH, [12] и CDC, [13] и многие другие, наряду с многочисленными другими государственными и профессиональными организациями.
Управление по охране труда и технике безопасности (OSHA) — это регулирующее агентство, которое разрабатывает стандарты федерального уровня для загрязняющих газов, среди многих других тем, связанных со здоровьем и безопасностью. Они обеспечивают соблюдение этих стандартов посредством плановых проверок в зависимости от уровня серьезности. В некоторых штатах США есть свои собственные агентства, подобные OSHA, которые должны превышать стандарты федерального OSHA. [11]
Национальный институт охраны труда (NIOSH) — это организация, которая исследует и проводит эксперименты с загрязняющими газами, а также многими другими темами, связанными со здоровьем и безопасностью. В отличие от OSHA, они не являются регулирующими и часто дают рекомендации относительно передовой практики. [12]
Центры по контролю и профилактике заболеваний — это организация, которая работает над поддержкой сообществ и граждан в вопросах здоровья и безопасности в отношении заболеваний различной степени тяжести. Хотя CDC часто борется с распространением таких заболеваний, как COVID-19, они также работают над тем, чтобы лучше понимать и смягчать последствия проблем, связанных с качеством воздуха и загрязнением. [13]
Государственные департаменты труда являются обычным источником более локализованного регулирования, касающегося вдыхания. Эти департаменты часто могут быть одобрены OSHA, при условии, что эти программы превышают стандарты, установленные федеральным OSHA. Государственные программы, одобренные OSHA, существуют в 22 штатах (одним из которых является территория США Пуэрто-Рико), и они выполняют большую часть тех же функций в отношении инспекций, расследований и даже работы в юридических вопросах. [14] Эти программы существуют в двух основных версиях. Это государственные программы, которые применяются как к государственным, так и к негосударственным служащим, и государственные программы, которые применяются исключительно к государственным служащим и рабочим местам. [15]
Американская ассоциация легких — это организация, которая специализируется на заболеваниях легких и респираторных заболеваниях. Эта организация проводит исследования в дополнение к образованию и пропаганде с помощью различных мероприятий, которые она проводит. [16]
Паспорта безопасности (SDS) или паспорта безопасности материалов (MSDS), как их еще называют, — это документы, в которых подробно излагается информация, связанная со здоровьем и безопасностью, касающаяся химикатов или веществ. Среди обширной информации, содержащейся в SDS, есть разделы о вдыхании и респираторном воздействии. Эта информация описывает меры первой помощи, контрольные параметры (пределы воздействия ppm), средства индивидуальной защиты, побочные эффекты воздействия и экологическая информация, среди прочих тем. Раздел «Меры первой помощи» подробно описывает, что должен делать человек, пострадавший от химического вещества, чтобы уменьшить травмы или заболевания от его воздействия. Раздел «Контрольные параметры» подробно описывает пределы воздействия, часто в ppm, того, какому количеству человек может подвергнуться, прежде чем получит травму или заболеет. Раздел «Средства индивидуальной защиты» (PPE) описывает, какую одежду следует носить, чтобы смягчить воздействие химического вещества. Разделы «Токсикологическая» или «Дополнительная информация» подробно описывают побочные эффекты, которые человек, скорее всего, испытает от воздействия. Последний раздел, относящийся к вдыханию, — это раздел «Экологическая информация», в котором подробно описывается, как химическое вещество влияет на окружающую среду. В связи с различной природой химических веществ глубина и объем этих разделов могут значительно различаться. [17]
Документы SDS должны соответствовать Стандарту информирования об опасности OSHA 29 CFR 1910.1200. Этот стандарт был создан OSHA как способ информирования работников о наличии материалов и о том, как работники должны взаимодействовать с ними. Нацеленный на потенциально опасные материалы и химикаты, стандарт также применяется к газам. В прошлом (когда они были наняты) информирование об опасности часто скрывалось и не доводилось до сведения высокопоставленных сотрудников, вдали от тех, на кого они непосредственно влияли. Информирование об опасности газов помогает уменьшить возможную путаницу относительно потребностей и надлежащих методов их использования. Это помогает вовлечь работников в процесс обеспечения безопасности, предоставляя им информацию. Информирование об опасности присутствующих газов как можно большему количеству людей снижает серьезность и сложность потенциальных инцидентов. Эти документы хранятся в папке на месте, чтобы сделать их доступными для всех работников, которые хотят/должны прочитать их содержание. [17]