Расчеты экологических рисков для здоровья населения от химического

Расчеты экологических рисков для здоровья населения от химического загрязнения различных компонентов среды: атмосферного воздуха, поверхностных вод, питьевых вод, почвенного покрова 1

Канцерогенный риск Основным параметром оценки риска воздействия канцерогенного агента с учетом беспорогового механизма действия является фактор канцерогенного потенциала (SF). Факторы канцерогенного потенциала установлены в экспериментальных исследованиях на животных на основе линейной многоступенчатой модели с учетом статистической экстраполяции от высоких доз (где наблюдаются эффекты в лабораторных условиях) к малым дозам, реально встречающимся в объектах окружающей среды, при которых эффект в эксперименте не выявляется. Этот параметр является мерой дополнительного индивидуального канцерогенного риска или степенью увеличения вероятности развития рака при воздействии канцерогена за ожидаемую среднюю продолжительность жизни человека, принятую за 70 лет. Она определяется как верхняя граница 95% ДИ наклона графика зависимости «доза — ответ» в нижней линейной части кривой. Факторы канцерогенного потенциала устанавливаются отдельно для двух путей поступления (ингаляционного и перорального) и обычно 2 выражаются в [мг/(кг*сут)]-1.

В качестве другого параметра для оценки канцерогенного риска используют так называемый единичный канцерогенный риск (единичный фактор риска, удельный риск, единица риска) UR (unit risk), представляющий собой результат применения линейной модели для определения верхней границы доверительного риска развития рака в течение всей жизни на единицу дозы, оцененной как результат воздействия агента концентрацией 1 (мг/л или мкг/л) в воде или 1 (мг/м 3 или мкг/м 3) в воздухе. Обычно эту величину рассчитывают исходя из фактора канцерогенного потенциала для ингаляционного и перорального воздействия, а также с использованием стандартных значений массы тела человека (70 кг), суточного потребления воздуха (20 м 3) и питьевой воды (2 л). Для ингаляционного поступления UR = SFI (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 20 (м 3/сут) Для перорального поступления UR = SFo (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 3 (л/сут)

Расчет индивидуального канцерогенного риска ICR – осуществляют с использованием данных об экспозиции и факторах канцерогенного потенциала (факторах наклона, единичного риска). Как правило, для канцерогенных химических веществ дополнительная вероятность развития рака у индивидуума на всем протяжении жизни оценивается с учетом среднесуточной дозы в течение жизни Dd (мг/(кг*сут)): ICR = Dd * SF, где SF — фактор наклона, (мг/(кг*сут))-1. При использовании показателя единичного риска UR формула приобретает вид ICR = C * UR, где С – средняя концентрация вещества в исследуемом объекте окружающей среды за весь период усреднения экспозиции (воздух, мг/м 3); UR – единичный риск для воды или воздуха (риск на 1 мг/м 3). 4

Определение популяционных канцерогенных рисков PCR, отражающих дополнительное (к фоновому) число случаев злокачественных новообразований, способных возникнуть на протяжении жизни исследуемой популяции вследствие воздействия исследуемого фактора, проводят по формуле PCR = ICR * N, где N — численность исследуемой популяции. При сравнительной характеристике риска часто используют показатель популяционного годового риска PCR за год — расчетное число дополнительных случаев рака в течение года. Например, в случае анализа канцерогенного действия загрязнителей атмосферного воздуха показатель PCR за год. будет рассчитываться по формуле: PCR за год = ∑(Ci * URi) * N / 70 где Сi — среднегодовая концентрация i-го вещества; URi – единичный риск за всю жизнь (70 лет) для 1 мг/м 3 i-го вещества; N — численность популяции, подвергающейся воздействию. 5

Степени канцерогенного риска Высокая >10 -3 Средняя 10 -3 - 10 -4 Низкая 10 -4 - 10 -6 Минимальная <10 -6 6

Рассчитаем канцерогенный риск от загрязнения атмосферного воздуха Пусть концентрация формальдегида в атмосферном воздухе территории проживания 50 тысяч населения составит Са = 0, 0032 мг/м 3. Расчет суточных доз при ингаляционном воздействии веществ с атмосферным воздухом 7

1. I = [(Ca Tout Vout) + (Ch Tin Vin) EF ED/(BW AT 365)] 2. ICR = I * SFI Для формальдегида фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3. PCR = ICR * N 4. URi = SFI (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 20 (м 3/сут) PCR за год = ∑(Ci * URi) * N / 70 8

Рассчитаем канцерогенный риск от загрязнения поверхностных вод Пусть концентрация кадмия в поверхностном водоеме территории проживания 50 тысяч населения составит Сw = 0, 123 мг/л. Стандартная формула расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при случайном заглатывании поверхностной воды (воды водоемов) 9

1. I = (Cw IR EF ED ET)/(AT BW 365) 2. ICR = I * SFО Для кадмия фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3. PCR = ICR * N 4. URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 10

Стандартная формула расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при накожной экспозиции воды открытых водоемов (поглощенная доза) 11

1. DAD = (DAe EV ED EF SA)/(BW AT 3600 1000) Примем DAD = I DAe = Cw 2. ICR = I * SFО Для кадмия фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3. PCR = ICR * N 4. URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 12

Стандартная формула расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при ингаляционном поступлении химических веществ, испаряющихся из воды во время купания (плавания) в открытом водоеме 13

1. I = (CA IR EF ET ED)/(AT), где CA = (Cw Vp 273 MW)/(760 T 22, 4) 2. ICR = I * SFI Для кадмия фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3. PCR = ICR * N 4. URi = SFi (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 20 (м 3/сут) PCR за год = ∑(Ci * URi) * N / 70 14

Рассчитаем канцерогенный риск от загрязнения питьевых вод Пусть концентрация хлора остаточного в питьевой воде населенного пункта, где проживает 50 тысяч населения, составит Сw = 0, 536 мг/л. Стандартная формула для расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при пероральном поступлении химических веществ с питьевой водой 15

1) I = (Cw V EF ED)/(BW AT 365) 2) ICR = I * SFО Для хлора (по хлорэтану) фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3) PCR = ICR * N 4) URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 16

Стандартная формула для расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при ингаляционн ом поступлении химических веществ, испаряющих ся из питьевой воды 17

1) I = CDI ED EF/(AT 365) CDI = (Xb + Xh) Cw theta Xb = 0, 7 IRa Tb Wb/(VRb 60) Xh = 0, 54 (Wh IRa (Th Tr)/(VRh)) + 0, 54 (Tr IRr Wh/VRh) theta = 3000000/(2, 5/Dw 0, 67) + [(R T/(H Da 0, 33)] 2) ICR = I * SFI Для хлора (по хлорэтану) фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3) PCR = ICR * N 4) URi = SFi (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (м 3/сут) PCR за год = ∑(Ci * URi) * N / 70 18

Стандартная формула расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при накожной экспозиции водопроводной (питьевой) воды (поглощенная доза) 19

1. DAD = (DAe EV ED EF SA)/(BW AT 3600 1000) Примем DAD = I DAe = Cw 2. ICR = I * SFО Для хлора (по хлорэтану) фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3. PCR = ICR * N 4. URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 20

Рассчитаем канцерогенный риск от загрязнения почвенного покрова Пусть концентрация мышьяка в почвенном покрове населенного пункта, где проживает 50 тысяч населения, составит Сs = 5, 798 мг/м 3. Стандартная формула расчета средней суточной дозы и стандартные значения факторов экспозиции при пероральном поступлении веществ из почвы 21

1) I = Cs FI EF ET CF 2 ((EDc IRc/BWc) + (EDa IRa/BWa))/(AT 365) 2) ICR = I * SFО Для мышьяка фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3) PCR = ICR * N 4) URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 22

Стандартная формула для расчета средней суточной дозы при ингаляционном воздействии химических веществ, попадающих в воздух из почвы 23

1) I = (Ca IR ED EF)/(BW AT 365) Ca = Cs (1/PEF + 1/VF) Расчет фактора эмиссии пылевых частиц PEF = Q/C 36667/(0, 036 (1 - V) (Um/Ut)3 F(x)) 24

Расчет фактора испарения вещества из почвы 25

VF = Q/C (3, 14 Da Т)1/2 10 -4(2 rhob Da) 2) ICR = I * SFI Для мышьяка фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3) PCR = ICR * N 4) URi = SFi (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (м 3/сут) PCR за год = ∑(Ci * URi) * N / 70 26

Стандартная формула для расчета средней суточной дозы при накожной экспозиции почвы 27

1) DAD = (DAe EF ED EV SA)/(BW AT 365) DAe = Cs CF AF ABSd 2) ICR = I * SFО Для мышьяка фактор канцерогенного потенциала (мг/(кг сут. ))-1 (таблица 1) 3) PCR = ICR * N 4) URо = SFо (кг*сут)-1 * 1/70 (кг) * 2 (л/сут) PCR за год = ∑(Ci * URo) * N / 70 28

Неканцерогенный риск Установленные в экспериментальных исследованиях на животных зависимости «экспозиция (доза) — ответ» для неканцерогенов являются основой для разработки безопасных уровней воздействия (уровней минимального риска) химических агентов — референтных доз (Rf. D) или референтных концентраций (Rf. С). Для неканцерогенных воздействий мерой для выражения заболеваемости (риска заболеть) является так называемый индекс риска. Его значение определяется как отношение усредненного (например, за ожидаемый период жизни) уровня воздействия (усредненной дозы Е (I) пороговой дозы Rf. D). Эти характеристики выражаются в одинаковых единицах за один и тот же период, г. е. как хронические — от семи до 70 лет, субхронические (subchronic) — oт двух недель до семи лет или как разовые (shorter-term) — до двух недель. 29

Индекс риска (hazard index — HI) рассчитывается согласно следующему выражению: HI = E/Rf. D Его смысловое содержание состоит в следующем. Если Е > Rf. D. т. е. HI > 1, то при сохранении существующего уровня воздействия могут существовать неканцерогенные эффекты, т. е. заболеваемость (не связанная с раком) населения может превысить средний уровень. Как правило, чем больше значение HI (при HI > 1), тем больший уровень заболеваемости можно ожидать. Но здесь следует иметь в виду, что HI нельзя интерпретировать как статистическую или вероятностную характеристику). Иными словами, значение HI = 0. 01 не означает, что существуем один шанс из 100 заболеть. Аналогично теория риска не связывает при HI > 1 уровень заболеваемости с величиной этого показателя. Таким образом, значение HI можно рассматривать скорее в качестве ранжированной (порядковой) характеристики ожидаемой заболеваемости. Второй вариант расчета: HI = АС/Rf. С, где АС – средняя концентрация, Rf. С – референтная концентрация. 30

Для практического использования этой модели при фиксированном времени воздействия (в случае хронического воздействия это средняя продолжительность жизни человека) применяют упрощенные формулы: Risk = 1–ехр (–UR * С), где Risk – риск возникновения неблагоприятного эффекта, определяемый как вероятность возникновения этого эффекта при заданных условиях; С – реальная концентрация (или доза) вещества, воздействующая за заданное время; UR – единица риска, определяемая как фактор пропорции роста риска в зависимости от величины действующей концентрации (дозы). Преобразуем эту формулу для целей расчета риска неспецифической хронической интоксикации (неканцерогенного риска), основываясь на информации о величине усредненной концентрации. Первой отправной точкой служит допущение, что при С = 0 Risk = 0. Вторая отправная точка – информация о том, что пороговая концентрация примеси (Clim) связана с нормативом (ПДК) через коэффициент запаса (Kз): Сlim = ПДК * Кз При нормировании примесей атмосферного воздуха предлагается принимать значения коэффициентов в зависимости от класса опасности для веществ 1 -го класса опасности – на уровне 7, 5, 2 -го класса – 6, 3 -го 31 класса – 4, 5 -го и 4 -го классов – 3.

Пороговой считается минимальная концентрация, при которой в условиях эксперимента в опытной группе выявлены достоверные отклонения тех или иных показателей, характеризующих состояние организма, от аналогичных в контрольной гуппе. Вполне вероятно, что при больших концентрациях эти различия могут исчезнуть, а при ещё больших – появиться вновь. Это проявление адаптационных процессов и также должно расцениваться, как различные фазы интоксикации. Известно, что первые достоверные изменения показателей, характеризующих состояние организма, возникают, когда они затрагивают примерно 16% испытуемых. При хроническом воздействии примеси на уровне пороговой концентрации (дозы) риск проявления неспецифических токсических эффектов составляет 16% (или 0, 16 в долях единицы). Таким образом, уравнение расчета риска принимает вид: Risk = 1 – ехр(ln(1– 0, 16)*С / (ПДКЧKз)) или Risk = 1 – ехр(ln(0, 84)*(С/ПДК))b Значения коэффициента b, позволяющего оценивать изоэффективные эффекты примесей веществ различных классов опасности, должны быть приняты для веществ 1 -го, 2 -го, 3 -го и 4 -го классов на уровне 32 соответственно 2, 35, 1, 28, 1, 00 и 0, 87.

Уровень неканцерогенной опасности Очень высокий >10 Высокий 5 -10 Умеренный 1 -5 Допустимый 0. 1 -1 Минимальный <0. 1 33

Пример Рассчитаем неканцерогенную опасность от загрязнения атмосферного воздуха Пусть концентрация формальдегида в атмосферном воздухе территории проживания 50 тысяч населения составит Са = 0, 0032 мг/м 3. 1) I = [(Ca Tout Vout) + (Ch Tin Vin) EF ED/(BW AT 365)] 2) Для формальдегида референтная концентрация составит (табл. 2): 3) HI = I/Rf. C 34

Рассчитаем неканцерогенную опасность от загрязнения поверхностных вод Пусть концентрация кадмия в поверхностном водоеме территории проживания 50 тысяч населения составит Сw = 0, 123 мг/л. 1) I = (Cw IR EF ED ET)/(AT BW 365) DAD = (DAe EV ED EF SA)/(BW AT 3600 1000) I = (CA IR EF ET ED)/(AT) Сумма всех доз ΣI 2) Для кадмия референтная доза составит (табл. 3): 3) HI = ΣI /Rf. D 35

Рассчитаем неканцерогенную опасность от загрязнения питьевых вод Пусть концентрация хлора остаточного в питьевой воде населенного пункта, где проживает 50 тысяч населения, составит Сw = 0, 536 мг/л. 1) I = (Cw V EF ED)/(BW AT 365) I = CDI ED EF/(AT 365) Сумма всех доз ΣI 2) Для хлора остаточного (по хлорэтану) референтная доза составит (табл. 3): 3) HI = ΣI /Rf. D 36

Рассчитаем неканцерогенную опасность от загрязнения почвенного покрова Пусть концентрация мышьяка в почвенном покрове населенного пункта, где проживает 50 тысяч населения, составит Сs = 5, 798 мг/м 3. 1) I = Cs FI EF ET CF 2 ((EDc IRc/BWc) + (EDa IRa/BWa))/(AT 365) I = (Ca IR ED EF)/(BW AT 365) DAD = (DAe EF ED EV SA)/(BW AT 365) Сумма всех доз ΣI 2) Для мышьяка референтная доза составит (табл. 3): 3) HI = ΣI /Rf. D 37

Варианты задания № варианта Загрязнение воздуха Загрязнение поверхностных вод 1 Алюминия оксид 0, 0141 Аммиак 2 Медь сернокислая 0, 0023 Мышьяк 3 Марганец и его соединения 0, 0052 Кадмий 4 Никеля оксид 0, 0002 Хлориды 5 6 Свинец Хром 6 -вал. (в пер. Сr. O 3) 7 Загрязнение питьевых вод 0, 19 Мышьяк 0, 0015 0, 18 Хром 0, 0264 0, 18 Медь 0, 0014 4, 6542 Хлор 0, 54 Никель 0, 0019 0, 0005 Медь 0, 0199 Алюминий 0, 19 Свинец 0, 0031 0, 0223 Фториды 0, 0314 Аммоний 0, 06 Стронций 0, 0229 Аммиак 0, 0557 Свинец 0, 0010 Железо 0, 21 Ванадий 0, 0052 8 Водород хлористый 0, 0273 Нитраты 0, 1032 Хлор 0, 96 Цинк 0, 0132 9 Водород цианистый 0, 0011 Нитриты 0, 1510 Алюминий 0, 23 Мышьяк 0, 0015 10 Фториды 0, 0227 Фенол 0, 0010 Аммоний 0, 20 Хром 0, 0264 11 Дивинил (1, 3 бутадиен) 0, 0004 Цинк 0, 0224 Железо 0, 16 Медь 0, 0014 12 Бензол 0, 0007 Аммиак 0, 67 Никель 0, 0019 13 Ксилол 0, 946 Мышьяк 0, 12 Свинец 0, 0031 14 Стирол 0, 1187 Хлор 0, 0010 Алюминий 0, 0010 Аммоний 0, 18 Стронций 0, 0229 15 Толуол 4, 48 Хлориды 4, 6542 Железо 0, 33 Ванадий 0, 0052 16 Этилбензол 0, 05 Медь 0, 0199 Хлор 0, 60 Цинк 0, 0132 17 Эпихлоргидрин 0, 0314 Алюминий 0, 15 Мышьяк 0, 0015 18 Фенол 0, 00008 Свинец 0, 0010 Аммоний 0, 18 Хром 0, 0264 19 Винилацетат 0, 00017 Нитраты 0, 1032 Железо 0, 69 Медь 0, 0414 Кадмий 0, 044 Фториды 0, 1187 Алюминий 0, 0010 Аммоний 0, 0010 Загрязнение почвенного покрова Железо 38 0, 0014