Токсико-гигиеническая оценка изолированного и сочетанного действия биологического фактора

Одним из условий экономического роста и научно-технического прогресса страны является развитие биотехнологии, позволяющей решать проблемы материально-продовольственных ресурсов, загрязнения окружающей среды, обеспечения энергией, охраны здоровья людей. Использование биотехнологического потенциала микроорганизмов в интересах жизнедеятельности человечества открывает возможности в разработке новых видов продукции, мировой рынок которой ежегодно увеличивается на 7% (Э.Маниен, 2002). В последние годы нарастает количество предприятий, выпускающих продукцию биотехнологического синтеза, как крупнотоннажными партиями, так и небольшими, в зависимости от потребностей заказчика легко переключающиеся на другой вид конечного продукта. Процессы биотехнологического синтеза лежат в основе получения кормовых биодобавок, гидролизных дрожжей, интерферона, ферментов, антибиотиков, аминокислот, средств защиты растений, мультиэнзимных систем для животноводства, инсулина и других биологическиактивных веществ, производство которых объединяют достаточно типичные гигиенические особенности, определяемые биологической сущностью используемых в технологии и производимых в конечном итоге препаратов. Следует заметить, что из всех видов биотехнологических продуктов наибольший удельный вес в нашей стране занимают кормовые белковые добавки, выпуск которых в настоящее время осуществляют около 100 гидролизно-дрожжевых и биохимических заводов, производящих в год до 300 тысяч тонн кормовых дрожжей.

Наряду с этим, на бывших заводах белково-витаминных концентратов (БВК), используя имеющиеся мощности, создают опытно-промышленные установки для получения кормовых белковых добавок. Так, на Кстовском опытнопромышленном заводе БВК из отрубей, зерна, мелассы путем микробиологического синтеза производится кормовая белковая смесь-белотин. Функционируют опытно-промышленные установки на Новополоцком и Светлоярском заводах БВК. Однако успехи биотехнологических разработок сдерживает реальная опасность возникновения биологического загрязнения, являющегося следствием низкого технического и технологического уровня существующих отечественных производств. На сегодняшний день наблюдается значительное отставание в решении токсико-гигиенических и экологических проблем биологического зафязнения, по сравнению с аналогичными исследованиями химических веществ (Ю.А.Рахманин с соавт., 2001). При этом сложность методических. подходов обусловливается тем, что биологический фактор включает в себя два компонента: микроорганизмы-продуценты (МОП) и готовые, преимущественно белоксодержащие препараты.

По мере развития биоиндустрии, в основном, определены факторы риска продукции микробиологического синтеза для человека и окружающей среды, которые могут быть причиной изменения показателей гомеостаза, адаптационно-дезадаптационных механизмов и развития патологических состояний (К.И.Кальченко с соавт., 1972, 1992; Р. М. Колло с соавт., 1975, 1979, 1983; Н. С. Шляхецкий с соавт., 1982, 1989; СА. Погорельская, с соавт., 1988; В. И. Немыря с соавт., 1989). Вместе с тем, в последнее десятилетие по этой проблеме выполнены немногочисленные исследования, касающиеся, в основном, иммуногенетических аспектов воздействия биологических факторов на организм работающих, заболеваемости детского населения, проживающего в условиях воздействия биотехнологических производств, разработки методов индикации биологического загрязнения (А.В.Литовская с соавт., 1992, 1996; В. И. Немыря с соавт., 1993, 1994; Г. М. Бодиенкова, 1996; И. В. Егорова с соавт., 1996). В то же время особенности и закономерности формирования предпатологии и патологии в зависимости от характера и условий влияния промышленных факторов биологической природы, принципы дифференцирования эффектов специфического действия и классификации форм ответной реакции организма изучены недостаточно. Практически отсутствуют данные о прямой дозоэффектной зависимости между реальной аэрогенной нагрузкой и производственно-обусловленной заболеваемостью работающих, имеющие важное значение при оценке профессионального риска воздействия факторов производственной среды, в том числе и биологической природы (Н.Ф.Измеров с соавт., 2000, 2001; П. Н. Любченко, 2001). Требует дальнейшего углубления понимание механизмов аллергических реакций, обусловленных комбинированным и сочетанным действием микроорганизмов-продуцентов и конечными продуктами их синтеза, установление существенной роли факторов биологической природы в развитии массовых проявлений бронх ()спастической патологии среди населения.

Отсутствие единых научно-обоснованных критериев по оценке особенностей действия биологических факторов, как при изолированном поступлении, так и в сочетании с химическими поллютантами, наличие специфических эффектов (возможность вегетировать в макроорганизме, аллергенная, антибиотическая активность, ферментные и катализаторные свойства и т. д.)" трудности гигиенического регламентирования диктуют необходимость всестороннего изучения механизмов и общих закономерностей сочетанного влияния на организм факторов биологической и химической природы. Развивающаяся при этом ответная реакция основных регулирующих систем, чаще всего не укладывается в прямолинейную классическую зависимость «доза-эффект». Тогда как, изучение зависимости «доза-статус организма» позволяет проводить оценку непосредственно всей суммы эффектов как единого целого и предполагает учитывать донозологическую ответную реакцию организма (СЛ.Авалиани с соавт., 1992, 1996).

Успешное решение данной проблемы представляется особенно перспективным при экспериментальном моделировании ситуаций, отражающих в той или иной мере реальные условия, которое при тщательной подготовке и проведении может быть наиболее адекватным способом получения информации о характере влияния биологических и химических веществ, позволяет прогнозировать и обосновать критерии оценки риска развития неблагоприятных последствий от конкретных сочетаний факторов, совершенствовать диагностику предпатологических состояний, а также оценивать вероятность перехода их в клинически выраженную стадию болезни (В.А.Денисов с соавт., 1986; В. П. Ильин, 1988; Л. А. Ильин с соавт., 1990; В. А. Черешнев с соавт., 1993; Г. Г. Юшков, 1997; Ю. Н. Катульский 1995, 2001). С этих позиций, патогенетические проблемы влияния сочетанного действия биологического и химического факторов на основные физиологические системы организма, выраженность реакции от дозы и взаимного влияния изучаемых соединений остаются мало изученными.

В настоящее время среди отечественных и зарубежных ученых не достигнуто единого мнения в вопросах оценки различных ситуаций, связанных с биобезопасностью в биотехнологических производствах (БТП), определения допустимых пределов воздействия биотехнологической продукции, обеспечивающих защищенность жизненно-важных функций биологических объектов, в принципах и критериях научно-обоснованной системы медико-гигиенического мониторинга, совершенствование которой является одним из важных и перспективных направлений.

Вышеизложенное, в том числе крайне недостаточная информация по оценке риска изолированного и сочетанного воздействия биотехнологических продуктов, основанная на системном и комплексном подходе, свидетельствуют об исключительной актуальности данной проблемы. Учитывая, что в резолюции первого Международного конфесса «Биотехнология гсостояние и перспективы развития» (Москва 12−14 октября 2002 г.) предусмотрено дальнейшее развитие клинико-гигиенических исследований воздействия биотехнологических продуктов на организм человека, изучение вышеуказанных вопросов приобретает особую значимость для Иркутской области, где работают три предприятия биотехнологического синтеза. Решению вышеперечисленного комплекса вопросов, имеющих важное гигиеническое значение в условиях нарастания потенциала биотехнологического производства в стране, посвящены настоящие исследования.

Цель работы заключается в выявлении закономерностей и отдельных механизмов реализации изолированного и сочетанного действия биотехнологических факторов и обоснование методологических подходов к изучению и оценке их биобезопасности.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи: и 1. Дать комплексную гигиеническую оценку биотехнологических предприятий микробного синтеза кормового белка с определением нормативной и фактической дозной нагрузки микроорганизмов-продуцентов (МОП).

2.Выявить взаимосвязь между загрязнением воздуха МОП и Hapyuiennt ем здоровья работающих с позиции «дозо-эффектной» зависимости.

3.Исследовать в натурных условиях и эксперименте на животных иммуно-биохимические особенности ответной реакции организма в зависимости от характера, интенсивности воздействия и взаимного влияния биологического и химического факторов, 4, Разработать методологические основы постановки экспериментов с обоснованием критериев оценки и принципов прогнозирования различных биологических эффектов сочетанного действия факторов биологической и химической природы.

5.Обосновать предельно-допустимую концентрацию пыли кормовых дрожжей, полученных при утилизации отходов целлюлозно-бумажного производства.

Научная новизна работы определяется: -полученными новыми данными о гигиенических условиях и характере труда рабочих БТПустановленной зависимостью формирования основных вредных производственных факторов от используемого технологического процесса и применяемого оборудованиявыполненной оценкой степени вредности, опасности, тяжести и напряженности условий труда, отражающей средние и высокие уровни профессионального риска работающих БТП- -установленной реальной среднесменной дозной нагрузкой клеток МОП на организм работающих БТП биологически активных кормовых добавок- -выявленной зависимостью между дозной нагрузкой МОП, показателями специфической иммунологической реактивности, состоянием кандиданосительства у работающих и заболеваемостью с временной утратой трудоспособности- -установленным отсутствием биобезопасного уровня воздействия условно-патогенных дрожжеподобных грибов- -научно-обоснованной предельно-допустимой концентрацией в воздухе рабочей зоны пыли кормовых дрожжей, полученных при утилизации отходов целлюлозно-бумажной промышленности- -полученными новыми представлениями о закономерностях и отличительных особенностях функционирования основных физиологических систем организма при формировании ответных реакций на сочетанное воздействие биологических и химических факторов, позволяющих прогнозировать возможность развития предпатологии и патологии- -научно обоснованной ролью химического техногенного загрязнения малой интенсивности, способствующего переходу фазы компенсированной адаптации в декомпенсированную в организме животных, подвергавшихся воздействию биологического фактораТеоретическая значимость работы заключается: -в дальнейшем развитии методических основ профилактической медицины: разработке перспективного направления научных гигиенических исследований, решающего проблемы изучения формирования экологически обусловленных и профессиональных заболеваний, включающего теоретические и прикладные вопросы оценки воздействия биотехнологических продуктов на организм человека, имеющей конечной целью создание государственной системы биологической безопасности Российской Федерации- -в научном обосновании методологии изучения и оценки характера сочетанного действия биологических и химических факторов в эксперименте, базирующейся на интегративном подходе, учитывающим исходное состояние целостного организма и его донозологический статуспоследовательность воздействия факторов на организмкритерии оценки и прогноза результатов- -во внесении теоретического вклада в разработку патогенетических механизмов сочетанного воздействия биологического и химического факторов, согласно которым ответная реакция развивается по трем основным направлениям: сенсибилизация, аллергопатия, токсико-аллергопатия- -в дополнении новыми знаниями концепции пороговости действия вредных веществ, свидетельствующими об отсутствии безопасного уровня воздействия условно-патогенных микроорганизмов-продуцентов кормового белка на организм работающих.

Практическая значимость работы Материалы исследований позволили сформулировать научнообоснованные санитарно-гигиенические требования к организации технологических процессов, основному производственному оборудованию, проведению комплекса мероприятий по оздоровлению условий труда, снижению профессионального риска и сохранению здоровья работающих в БТП кормового белка. Предложена предельно-допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны пыли кормовых дрожжей, полученных на отходах целлюлозно-бумажного производства, разработанная на основании учета лимитирующего показателяаллергенной активности. Проведена клинико-гигиеническая апробация утвержденной ПДК дрожжеподобных грибов рода Candida для воздуха рабочей зоны в натурных условиях. Полученные результаты внесли вклад в раскрытие патогенетических механизмов развития экологически обусловленных массовых бронхоспастических реакций населения г. Ангарска в 1988 г. Разработаны рекомендации по оптимизации размещения предприятий микробиологической промышленности в составе территориально-промышленных комплексов с антропогенным загрязнением атмосферного воздуха. Предложенные методологические подходы к изучению сочетанного действия факторов биологической и химической природы позволят проводить экспериментальные исследования по оценке результатов сочетанного воздействия любых белоксодержащих биотехнологических продуктов с возможным последующим нормированием суммарного загрязнения.

Внедрение результатов исследований Полученные результаты комплексных гигиенических, иммуноаллергологических, токсикологических, биохимических исследований использованы при составлении нормативно-методических документов и материалов. направленных на уменьшение риска развития профессиональных и производственно-обусловленныз заболеваний: -методические рекомендации «Профессиональный отбор рабочих промышленных предприятий микробиологического синтеза белково-витаминных концентратов» (утверждены Минздравом СССР от 14.01 1987 г.,№ 10−11/115) -методические рекомендации «Профилактическое обеспечение рабочих, занятых в микробиологических производствах кормовых дрожжей» (утверждены Минздравом СССР от 17.09.1990 г.,№ 10−11/113) -методические рекомендации «Гигиеническая оценка дозного воздействия микроорганизмов-продуцентов кормового белка на здоровье работающих» (утверждены главным государственным санитарным врачом ЦГСЭН по Иркутской области 22.12.1995 г.) -информационно-методическое письмо «Профилактика массовых бронхолегочных заболеваний населения в промышленных центрах с комбинированным загрязнением атмосферного воздуха веществами раздражающего и сенсибилизирующего действия» (утверждены главным государственным врачом ЦГСЭН по Иркутской области 20.09.1995 г.) -методические указания «Организация санитарного надзора за строительством и эксплуатацией заводов, выпускающих продукты микробиологического синтеза «(утверждены на заседании бюро ГСЭН МЗ РФ 22.09.1999 г. и главным государственным врачом ЦГСЭН по Иркутской области 31.05.99 г.) Результаты исследований включены в лекционный материал кафедры гигиены Иркутского ГИДУВа, Учебного центра — НИИ МТ и ЭЧ — АФ ГУ НЦ МЭ ВСНЦ СО РАМН, кафедры прикладной экологии и охраны труда* факультета менеджмента, экономики и экологии Московской государственной Академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, кафедры промышленной биотехнологии инженерного экологического факультета Российского химико-технологического университета Д. И. Менделеева.

Апробация результатов исследований Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: -на V межреспубликанской конференции аллергологов Казахстана и республик Средней Азии, Алма-Ата, 1986; -на научной конференции «Актуальные проблемы иммунологии. Иммунодефициты и иммунокоррекция», Владивосток, 1987; -на зональной научно-практической конференции «Совершенствование работы по охране здоровья населения Иркутской области», Иркутск, 1988; -на 1 конференции молодых ученых ВСФ СО АМН СССР «Медикобиологические проблемы Восточной Сибири», Иркутск, 1988; -на конференции молодых ученых СО АМН СССР «Молодые ученыемедики-науке и практическому здравоохранению», Новосибирск, 1990; -на международной конференции «Актуальная токсикология и прикладная экология», Ленинград, 1991 г.- -на III объединенной научной сессии всех НИИ и вузов медикобиологического профиля г. Иркутска «Последствия и прогноз взаимодействия человека с окружающей средой», Иркутск, 1992; -на заседании секции «Гигиена окружающей среды при производстве препаратов микробного синтеза», Москва, 1992; -на республиканской конференции «Современные проблемы и методические подходы к изз^ению влияния факторов производственной и окружающей среды на здоровье человека», Ангарск, 1993; -на научной конференции «Актуальные проблемы медицины труда и промышленной экологии», Москва, 1994; -на региональной конференции «Комплексные социально-гигиенические исследования на территории Сибири. Взгляд в XXI век», Новокузнецк, 1998; -на годичных объединенных научных сессиях общего собрания ВСНЦ СО РАМН, Иркутск, 1999,2000; 2001,2002; -на Всероссийской конференции «Компенсаторно-приспособительные процессы: фундаментальные и клинические аспекты», Новосибирск, 2002 г.- -на 1-й Всероссийской научной конференции с международным участием «Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека», Новосибирск, 2002 г.- -на 1-м съезде гигиенистов, эпидемиологов и микробиологов Иркутской области 2002 г.- -на 1-м Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2002 г. ' -на XI Международном симпозиуме «Эколого-физиологические проблемы адаптации», Москва 2003 г- -на Всероссийской конференции с международным участием «Здоровье населения и работающих в условиях чрезвычайных техногенных воздействий: проблемы и решения», Ангарск 2003 г. -на заседании Ученого совета ГУ Щ МЭ ВСЩ СО РАМН, 2003 г. -на заседании Ученого совета ПШ МТ И ЭЧ-АФ ГУ Щ МЭ ВСНЦ СО РАМН, 2003 г Основные положения, выносимые на защиту 1. Установленная среднесменная дозная нагрузка МОП, в сочетании с белоксодержащей пылью и химическим загрязнением воздуха производственных помещений БТП биологически активных кормовых добавок оказывают влияние на заболеваемость с временной утратой трудоспособности, способствуют раз^ витию специфической иммунологической перестройки организма и обусловливают высокие уровни профессионального риска у рабочих.

2. Предельно-допустимая концентрация микроорганизмов-продуцентов кормового белка, утвержденная МЗ РФ, не обеспечивает безопасный для здоровья работающих уровень воздействия.

3. Экспериментальное изучение сочетанного действия биологического и химического факторов должно предусматривать моделирование исходного состояния организма и различную последовательность их введения.

4-Основными проявлениями реализации ответных реакций организма при моделировании различных вариантов и уровней сочетанного воздействия биологического и химического факторов являются формирование в одних случаях сенсибилизации или аллергопатии, в других токсико-аллергопатических реакций.

Личный вклад автора: Настоящая работа является результатом более чем 20-летних исследований НИИ МТ и ЭЧ ВСНЦ СО РАМН на предприятиях микробиологической промышленности, при непосредственном участии автора в качестве ответственного исполнителя и/или руководителя научно-исследовательских работ. Самостоятельно автором выполнено 80% исследований: проведен анализ литературных данных, поставлена проблема, определены цель и задачи работы, сформулирована идея проведения экспериментального моделирования, обоснована методология изучения сочетанного действия биологического и химического факторов с разработкой критериев оценки и принципов прогнозирования биологических эффектов, при непосредственном участии автора разработаны нормативно-методические материалы, направленные на обеспечение оптимальных условий труда в БТП и сохранения здоровья работающих, проведены натурные исследования по дозной оценке профессионального микробного фактора с изучением состояния здоровья работающих в БТП, предложены уровни их профессионального риска, выполнен анализ полученных материалов и сделаны выводы. В выполнении отдельных фрагментов работы принимали участие сотрудники НИИ медицины труда и экологии человека: лаборатории токсикологических исследований, лаборатории медицины труда, лаборатории иммунобиохимических исследований, лаборатории физико-химических методов исследований, клиники Института, группы математической обработки и моделирования.

Диссертация выполнена по основному плану НИР Института (номера государственной регистрации 1 860 023 733, 1 900 010 433, 1 940 002 041, 1 900 010 431, -1 811 011 383, 1 850 082 302) в соответствие с целевой программой научных исследований по проблеме «Медико-биологические и гигиенические аспекты изучения условий труда, состояния здоровья работающих и вопросы охраны окружающей среды в микробиологической промышленности на 198 190 Г. Г., утвержденной МЗ СССР, МЗ РСФСР, и Минмедбиопромом СССР, в том числе по заданию Государственного комитета по науке и технике № 09.03.04Дг и в рамках комплексной программы-задания СО РАМН «Здоровье человека в Сибири».

ВЫВОДЫ.

1. Гигиенические условия труда в биотехнологических производствах микробного синтеза кормового белка характеризуются комплексом неблагоприятных факторов, ведущими из которых являются дрожжеподобные грибы-продуценты, белоксодержащая пыль и химическое загрязнение и обусловлены используемым технологическим процессом и применяемым оборудованием.

2. Сочетание высокой среднесменной дозной нагрузки МОП с белоксо-держащей пылью и химическим загрязнением воздуха производственных помещений БТП биологически активных кормовых добавок обуславливают формирование хронических форм заболеваемости с временной утратой трудоспособности, развитие специфической иммунологической перестройки и профессионально-обусловленного кандиданосительства работающих.

3-. Анализ-степени вредности^ опасности, тяжести^ и^ напряженности^ условий труда основных производственно-профессиональных групп БТП кормового белка, работающего на отходах предприятий целлюлозно-бумажного производства, позволяет оценить их как труд с высоким уровнем профессионала ного риска: для сепараторщиков вредный труд четвертой степени (3.4), для операторов выращивания чистой культуры-вредный труд третьей степени (3.3), для сушильщиков и упаковщиков готовой продукции-вредный труд четвертой степени (3.4).

4. Клинико-гигиеническая апробация утвержденной МЗ РФ предельно-допустимой концентрации условно-патогенных дрожжеподобных грибов рода Candida для воздуха рабочей зоны показала отсутствие безопасного для организма работающих уровня воздействия.

5. В экспериментальных условиях выявлены закономерности и отличительные особенности функционирования физиологических систем организма при формировании ответных реакций на сочетанное воздействие биологического и химического факторов, согласно которым ответная реакция развивается по трем основным направлениям: сенсибилизация, аллергопатия, токсико-аллергопатия. Максимально сильный дестабилизирующий эффект на функционирование физиологических систем организма с развитием дезадаптивных реакций, минуя фазу адаптации, оказывает влияние химического-фактора на фоне предыдущего воздействия белоксодержащей пыли.

6. При интегральной оценке гомеостаза экспериментальных животных показана ведущая роль изменений иммуно-аллергологического статуса в совокупности с неспецифическими изменениями липидного, белкового, углеводного, гормонального обменов, антиоксидантной системы, перекисного окисления липидов.

7. На основании анализа совокупности наиболее значимых информативных показателей разработаны иммуноаллергологические критерии различных форм реагирования организма на сочетанное действие факторов биологической ихимическойприроды^ позволяющиедифференцироватьвариантыответной реакции организма: сенсибилизацияаллергопатиятоксико-аллергопатические реакции.

8. Разработаны основы методологии, позволяющей оценить и прогнозировать характер биологических эффектов ответной реакции организма при экспериментальном изучении сочетанного действия факторов биологической и химической природы, базирующейся на интегративном подходе, учитывающим исходное состояние целостного организма, его донозологический статус и последовательность воздействия факторов на организм.

9. Учитывая особенности действия пыли кормовых дрожжей, полученных на отходах целлюлозно-бумажного производства (субстратом является сульфатный щелок), предложена предельно-допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, разработанная на основании лимитирующего показателя аллергенной активности, на уровне 0,4 мг/м3 (по белку), с пометкой «аллерген», 2 класс опасности.