POSSIBILITIES OF HUMAN’S LONG STAY IN ARGON CONTAINING GASEOUS ENVIRONMENT REDUCING FIRE RISK IN HERMETICALLY SEALED FACILITIES

Full Text

Библиографическая ссылка: Иванов А. О., Петров В. А., Бочарников М. С., Безкишкий Э. Н. Возможности длительного пребывания человека в аргоносодержащих газовых средах, снижающих пожароопасность гермообъектов // Экология человека. 2017. № 1. С. 3-8. Ivanov A. O., Petrov V. A., Bocharnikov M. S., Bezkishkii E. N. Possibilities of Human's Long Stay in Argon Containing Gaseous Environment Reducing Fire Risk in Hermetically Sealed Facilities. Ekologiya cheloveka [Human Ecology]. 2017, 1, pp. 3-8. К перспективным направлениям в обеспечении пожаробезопасности герметичных обитаемых объектов является создание пригодных для дыхания искусственных газовоздушных сред (ИГС), обеспечивающих работоспособность личного состава на заданном уровне и при этом существенно снижающих вероятность возникновения и развития пожара ввиду низкого содержания в них кислорода [1, 2]. Поскольку основные характеристики пожара - температура горения материала, скорость горения и выделения тепла, время индукции пламени и другие напрямую детерминированы концентрацией кислорода в газовой среде, именно разработка искусственных гипоксических газовоздушных сред (ГГС) открывает перспективы повышения пожарной безопасности в гермообъектах [2, 9]. По химическому составу такие среды обязательно включают кислород, а также индифферентные газы-разбавители [5], которые не 3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях Экология человека 2017.01 горят, не поддерживают горения и не вступают в реакцию с обычными материалами. Наиболее частым и простым способом создания ГГС является замещение части кислорода воздуха азотом. Оценка противопожарной эффективности азотсодержащих ГГС показала, что горение основных конструкционных материалов, использующихся при строительстве гермообъектов, прекращается при содержании кислорода в ИГС менее 14 % (парциальном давлении ниже 14 кПа). Однако известно, что длительное пребывание человека в таких условиях затруднительно и может приводить к недопустимым нарушениям функционального состояния и работоспособности [1, 3]. Одним из вариантов решения проблемы безопасности подобных ГГС для человека явилось формирование их в условиях умеренного (до 0,15 мПа) повышения общего барометрического давления в гермообъекте. В этом случае при концентрации кислорода в среде на уровне 14 % его парциальное давление соответствует «нормоксическим» значениям (около 20 кПа). Проведение стендовых испытаний по оценке возможности длительного (до 45 сут) пребывания человека в таких условиях показало отсутствие недопустимых отклонений функционального состояния и профессиональной работоспособности специалистов в течение всего заданного периода экспозиции [9, 10]. Однако такое повышение общего барометрического давления, в 1,5 раза превышающего атмосферное, является недопустимым для большинства оборудования гермообъектов, в связи с чем данный способ формирования ГГС не нашел практического применения и реализации. В 90-х годах прошлого века Б. Н. Павловым с соавт. [5-7] была обоснована концепция о физиологической активности «метаболически индифферентных газов» (гелий, аргон, ксенон) не только при повышенном, но и при нормальном барометрическом давлении. Суть концепции заключается в том, что индифферентные газы прямо влияют на обмен веществ в тканях организма, позволяя существенно повысить их толерантность к гипоксии. Основываясь на данной концепции, авторы предложили при формировании пожаробезопасных ГГС заместить часть азота инертным газом. Однако единственно возможным для решения проблемы создания таких ГГС в гермообъемах оказалось использование в составе газовой среды избыточного содержания аргона, являющегося одним из компонентов атмосферного воздуха, где его концентрация составляет около 0,9 %. В экспериментах на лабораторных животных и в исследованиях с участием человека доказано наличие антигипоксического эффекта аргона при его добавлении в ГГС, что было подтверждено при непрерывном (до 10 сут) нахождении испытуемых в подобных средах [6, 7]. На основании полученных результатов для повышения пожарной безопасности гермообъектов авторами была рекомендована ГГС, состоящая из 14 % об кислорода, 53 % об азота и 33 % об аргона [8]. Данная искусственная ГГС, по предположению перечисленных исследователей, не окажет существенного негативного влияния на организм специалистов и при более длительной экспозиции, что, однако, нуждается в обязательной проверке. В связи с вышеизложенным целью данной работы явилось проведение исследований по оценке влияния на человека длительного непрерывного пребывания в заданных аргоносодержащих ГГС (АрГГС), снижающих риск возникновения пожаров и возгораний на гермообъектах. Методы Тип проведенного исследования - проспективное ко-гортное. Исследования проводились в 2014-2015 годах в рамках госконтракта № 12411.1400099.09.046 от 25.12.2012 шифр «Аргон» по заказу Минпромторга России с использованием испытательного стенда (ИС) на базе АО «АСМ» (С.-Петербург). Конструкция ИС позволяла моделировать заданные нормобарические АрГГС в замкнутом объеме, а также обеспечивать возможность длительного непрерывного пребывания и выполнения работ в них испытателей-добровольцев. Исследования проведены с участием 6 мужчин в возрасте 25-30 лет (5 человек) и 51 года (1 человек). Отбор добровольцев для участия в исследованиях был проведен с учетом следующих критериев: необходимый уровень состояния здоровья; достаточный уровень функциональных возможностей организма, позволяющий выполнять физические, умственные и другие нагрузки (имитирующие деятельность персонала гермообъектов); высокая мотивация к участию в испытаниях; добровольное информированное согласие на участие в исследованиях; отсутствие медицинских противопоказаний к работе в условиях длительной изоляции сроком до 3 мес. В течение всего периода герметизации в помещениях ИС формировались следующие заданные параметры АрГГС: содержание кислорода 13,5-14,5 % об, аргона 30-35 % об, диоксида углерода 0,03-0,8 % об, азот - остальное, при нормальных величинах атмосферного давления и других параметров микроклимата. Длительность периода герметизации составляла 60 сут, в течение которого испытатели выполняли рабочую программу, заключавшуюся в ежедневном моделировании профессиональной деятельности интеллектуального или операторского содержания (работа на тренажерах), а также интенсивных разномодальных физических нагрузок (силовая подготовка, велотренажер, отработка элементов рукопашного боя, индивидуальные специальные программы физических упражнений). Общая продолжительность ежедневных работ и занятий составляла 3-4 ч в сутки. Как правило, еще 3-4 ч в сутки занимали функциональные обследования. Кроме того, были организованы посменные круглосуточные дежурства. Таким образом, повседневная деятельность участников испытаний была приближена к реальной деятельности персонала гермообъектов. 4 Экология человека 2017.01 Безопасность в чрезвычайных ситуациях В течение периода наблюдения все испытатели проходили углубленные этапные комплексные обследования, которые были направлены на всестороннюю оценку соматического статуса, функционального состояния и работоспособности участников испытаний и включали физиологические, психофизиологические, психодиагностические, клинико-лабораторно-инструментальные и иные исследования. Первичное (фоновое) обследование проводилось в течение нескольких дней перед началом испытаний. Контрольные обследования на этапе герметизации осуществлялись примерно через каждые 10 дней пребывания испытателей в АрГГС. Заключительный этап выполнялся в обычных условиях внешней среды в течение 3 - 5 сут после окончания герметизации. В статье выборочно представлены результаты исследований, с использованием которых интегрально оценивалось функциональное состояние испытателей в динамике наблюдения, что позволяло сформулировать общее заключение о допустимости пребывания человека в условиях заданной искусственной экосистемы. Так, в качестве одной из интегральных субъективных методик был использован стандартизированный вопросник «Самочувствие, активность, настроение - САН» [4]. Контроль физиологического состояния испытателей осуществлялся путем регистрации комплекса показателей кровообращения, дыхания, крови. В данной работе представлена динамика ряда параметров кислородтранспортной функции организма испытателей, напрямую отражающих состояние гомеостаза в измененных условиях обитаемости: сатурации крови кислородом (SaO2), частоты сердечных сокращений (ЧСС), систолического и диастолического артериального давления (САД, ДАД). Перечисленные параметры регистрировались у испытателей в условиях оперативного покоя с использованием автоматизированного монитора МАРГ «Микролюкс» (РФ). Оценка уровня физиологических возможностей организма (УФВО) проводилась путем моделирования ступенчато нарастающей физической работы субмаксимальной мощности (до достижения порога анаэробного обмена - ПАНО) на велоэргометре эргоспирометрического комплекса Schiller Cardiovit CS-200 (Швейцария). В процессе выполнения проб у испытателя непрерывно проводились регистрация и автоматизированный клинический анализ электрокардиограммы с расчетом ЧСС; 1 раз за 10 с фиксировались показатели вентиляции легких (минутный объем дыхания - МОД, частота дыхания - ЧД, дыхательный объем - ДО), газообмена (потребление кислорода - VO2 и выделение диоксида углерода - VCO2); с дискретностью 1 раз в мин автоматически регистрировалось САД и ДАД. Фиксировалась мощность нагрузки, при которой достигался ПАНО, а также общее время работы до достижения ПАНО. Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с использованием п.п.п. “Statistica” v. 10,0. Результаты представлялись в виде медиан (Ме), нижнего и верхнего квартилей (Q25; Q75). Оценку значимости различий показателей на этапах наблюдения проводили при помощи непараметрических критериев (Вилкоксона, критерий знаков). Нулевая гипотеза об отсутствии различий отвергалась при уровне значимости p < 0,05. Исследования были организованы и проведены в соответствии с положениями и принципами действующих международных и российских законодательных актов, в частности Хельсинкской декларацией 1975 года и ее пересмотра 1983-го. Результаты Главным итогом испытаний явилось выполнение всеми обследованными лицами основной задачи по непрерывному пребыванию в заданных условиях обитаемости в помещении ИС. Случаев соматических заболеваний (в том числе простудных, гнойничковых кожных, стоматологических, которые наиболее часто встречаются в условиях длительной герметизации), отказов от проведения запланированных исследований, снижения мотивации к их продолжению не зарегистрировано. Динамика субъективного состояния испытуемых при пребывании в заданных АрГГС не отличалась четкой направленностью, имела «размытый» характер. В большинстве случаев участники испытаний вообще не предъявляли жалоб на самочувствие, связанных с пребыванием в измененных условиях обитаемости, либо отмечали лишь слабо выраженные и быстро проходящие признаки легкого головокружения, ощущений «субъективного дискомфорта», легкой общей слабости или учащения дыхания и др. Отражением указанных тенденций явились результаты тестирования по методике САН (табл. 1). Характер динамики показателя самочувствия был индивидуальным и обусловливался главным образом внутренними характеристиками испытуемых, субъективной оценкой ситуации эксперимента, соответствуя вариативной норме реакции. Со стороны показателя активности наблюдалось умеренное его снижение после 3 недель испытаний при восстановлении исходного уровня к последней декаде герметизации. Со стороны самооценок настроения отмечено некоторое их повышение в период 5-6-й недель эксперимента, что, возможно, явилось эмоциональной реакцией на предстоящее окончание испытаний. Полученные данные, а также результаты других исследований позволили констатировать отсутствие недопустимых отклонений субъективного и психоэмоционального статуса испытуемых в течение всего периода герметизации. Анализ динамики физиологических параметров в покое выявил, что во время пребывания в АрГГС у испытуемых имела место умеренная компенсаторная активация механизмов, направленных на поддержание кислородного гомеостаза (табл. 2). Выраженность указанных реакций зависела от текущей устойчивости организма к условиям гипоксии, характеризуясь значительной индивидуальной вариабельностью и имея тенденцию к снижению по мере продолжения 5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях Экология человека 2017.01 Результаты тестирования испытуемых (n = 6) с использованием методики САН на этапах наблюдения, баллы Таблица 1 Этап испытаний Самочувствие Активность Настроение Me (Q25; Q75) p Me (Q25; Q75) p Me (Q25; Q75) р Первичное обследование (нормоксия) 5 сут до герметизации 5,90 (5,25; 6,75) 5,60 (4,70; 5,70) 6,30 (5,50; 6,80) Этап герметизации (АрГГС) 9-е сут 6,35 (6,00; 6,65) 0,2 5,50 (5,00; 5,65) 0,9 6,30 (6,00; 6,80) 0,4 20-е сут 6,25 (5,50; 6,80) 0,7 5,00 (4,30; 5,50) 0,5 6,00 (5,70; 6,60) 0,9 30-е сут 6,25 (4,70; 6,80) 0,8 5,30 (4,00; 5,80) 0,7 5,80 (4,40; 7,00) 0,4 40-е сут 6,00 (5,30; 6,70) 0,7 5,00 (4,90; 5,90) 0,8 5,80 (4,90; 5,90) 0,1 51-е сут 6,60 (6,00; 6,85) 0,2 5,70 (5,50; 5,70) 0,4 6,30 (5,70; 6,80) 0,6 57-е сут 6,80 (6,37; 7,00) 0,1 5,70 (5,00; 6,30) 0,2 6,70 (6,00; 6,90) 0,2 Заключительное обследование (нормоксия) 3-е сут после герметизации 6,70 (6,00; 7,00) 0,1 6,00 (5,60; 6,65) 0,2 6,20 (6,00; 6,90) 0,4 Примечание. p - уровень статистической значимости различий (критерий знаков) по сравнению с первичным обследованием. Таблица 2 Показатели кислородтранспортной системы организма испытуемых (n = 6) на этапах наблюдения, Me (Q25; Q75) Этап испытаний Показатель ЧСС, уд./мин САД, мм рт. ст. ДАД, мм рт. ст. SaO2, % Первичное обследование (нормоксия) 1 - 5-е сут до герметизации 78 (72; 84) 120 (115; 125) 72 (70; 79) 98 (97; 99) 1 - 10-е сут 86 (76; 91) р=0,004 120 (112; 129) 75 (70; 83) 91 (90; 92) р<0,001 11 -20-е сут 88 (80; 90) р=0,027 126 (118; 134) Р=0,011 78 (73; 87) Р=0,042 91 (90; 91) р<0,001 Этап герметизации (АрГГС) 21 - 30-е сут 87 (80; 90) р=0,027 125 (113; 133) Р=0,035 78 (71; 88) р=0,012 Р=0,042 91 (90; 92) р<0,001 31 -40-е сут 85 (77; 91) р=0,032 Р=0,05 124 (111; 129) 78 (70; 86) 92 (90; 92) р<0,001 Р=0,041 41 - 50-е сут 83 (77; 90) р=0,042 119 (112; 124) р=0,049 73 (69; 83) 92 (91; 93) р<0,001 Р=0,037 51 -60-е сут 81 (76; 86) Р=0,014 120 (112; 131) 75 (69; 85) 93 (92; 94) р<0,001 Р=0,021 Заключительное обследование (нормоксия) 1 -5-е сут после герметизации 78 (72; 82) р=0,012 124 (117; 128) 78 (71; 83) 98 (97; 99) Р<0,001 Примечание. Уровень значимости различий (по критерию Вилкоксона): с 1-м этапом герметизации (1 - 10-е сут). р - по сравнению с исходным состоянием; Р - по сравнению герметизации. Из регистрируемых параметров кровообращения статистически значимый прирост (примерно на 8-10 % по сравнению с нормоксическим уровнем) отмечен лишь со стороны ЧСС в покое (р = 0,004-0,042). Реактивность на гипоксию показателей артериального давления была существенно меньшей и незначимой. Нахождение испытуемых в заданных АрГГС сопровождалось закономерным статистически значимым (р < 0,001) снижением сатурации артериальной крови (SaO2) по сравнению с нормоксическими условиями. Степень выраженности данных сдвигов на всех этапах измерений не превышала 9-10 % от нормоксического уровня, что отражает умеренно сниженное содержание кислорода в артериальной крови, свидетельствуя о компенсации гипоксического воздействия [3]. По мере продолжения испытаний наблюдалось постепенное уменьшение реактивности SaO2 в ответ на гипоксический стимул, так что на этапе 30 -60-х сут герметизации индивидуальные значения SaO2 при гипоксии существенно (примерно на 1 - 1,5 %) превышали соответствующие величины показателя, регистрируемые в начале эксперимента. Результаты выполнения участниками испытаний физических нагрузок до достижения ПАНО показали (табл. 3), что обследованные лица имели существенные различия по исходному состоянию аэробной выносливости. При этом вне зависимости от исходного УФВО на протяжении всего периода испытаний в процессе выполнения проб с субмаксимальной нагрузкой патологических реакций организма не отмечено ни у одного из обследованных лиц. Во всех случаях нагрузка прекращалась по команде врача-исследователя при достижении тестируемым мощности работы на 1 «ступень» выше ПАНО. На этапе герметизации у испытателей отмечено уменьшение объема физической работы до достижения ПАНО, а также снижение потребления кислорода и выделения диоксида углерода по сравнению с нормоксическим уровнем этих 6 Экология человека 2017.01 Безопасность в чрезвычайных ситуациях Таблица 3 Показатели, зарегистрированные при достижении порога анаэробного обмена в процессе выполнения испытуемыми (n = 6) велоэргометрических проб на этапах контрольных обследований, Me (Q2s; Q75) Показатель дования VO2, л/мин VCO2, л/ мин МОД, л/ мин ЧД, ед./ мин ДО, л ЧСС, уд./ мин САД, мм рт. ст. ДАД, мм рт. ст. Мощность, Вт Время, с Первичное обследование 1,769 (1,694; 1,876) 1,783 (1,690; 1,864) 51,5 (44,0; 56,0) 26 (17; 31) 2,01 (1,82; 2,47) 131 (122; 152) 182 (167; 205) 80 (73; 92) 125 (125; 150) 295 (290; 360) 10-е сут герметизации 1,630 (1,398; 1,780) р=0,045 1,668 (1,490; 1,800) р=0,045 50,5 (44,0; 54,0) 22 (18; 30) 2,05 (1,80; 2,87) 128 (119; 137) 151 (147; 177) р=0,045 86 (72; 92) 113 (100; 125) р=0,036 245 (200; 270) р=0,003 20-е сут герметизации 1,657 (1,644; 1,906) р=0,048 1,700 (1,652; 1,900) р=0,046 50,0 (47,0; 59,0) 23 (20; 24) 2,33 (1,72; 2,65) 122 (116; 130) 171 (154; 178) р=0,048 86 (78; 93) 125 (100; 125) р=0,046 255 (210; 270) р=0,009 30-е сут герметизации 1,699 (1,680; 1,882) 1,725 (1,702; 1,814) 56,5 (45,0; 61,0) 22 (14; 28) 2,40 (2,07; 3,13) 120 (115; 133) 170 (163; 172) р=0,046 88 (70; 99) 125 (100; 125) р=0,046 260 (220; 280) р=0,017 40-е сут герметизации 1,717 (1,690; 1,802) 1,723 (1,702: 1,847) 57,0 (50,0; 60,0) 21 (16; 30) 2,70 (2,28; 3,14) 123 (118; 133) 181 (156; 188) 84 (75; 94) 125 (100; 125) р=0,046 260 (210; 290) р=0,017 50-е сут герметизации 1,705 (1,685; 1,802) 1,727 (1,704; 1,820) 58,0 (49,0; 61,0) 22 (18; 26) 2,53 (2,35; 3,34) 139 (131; 144) 183 (177; 197) 85 (79; 91) 125 (125; 125) 230 (220; 290) р=0,032 59-е сут герметизации 1,707 (1,642; 1,800) 1,718 (1,675; 1,824) 58,0 (52,0; 60,0) 25 (17; 29) 2,62 (2,43; 3,55) р=0,046 135 (130; 138) 183 (174; 191) 90 (80; 98) 125 (125; 125) 295 (280; 300) р=0,038 5-е сут после герметизации 1,927 (1,752; 1,992) р=0,046 1,945 (1,778; 2,120) р=0,046 53,0 (47,0; 63,0) 24 (13; 40) 2,27 (1,52; 3,43) 138(121; 151) 189 (168; 206) 82(78; 95) 150 (150; 150) р=0,05 345 (330; 360) р=0,025 Примечание. р - уровень значимости различий показателей по сравнению с первичным обследованием (по критерию Вилкоксона). параметров. Полученные факты свидетельствовали о снижении УФВО при нахождении испытуемых в заданных АрГГС. Тем не менее относительно невысокая степень этого снижения (примерно 12-17 % от нормоксического уровня) позволяет в целом считать возможным выполнение основных задач деятельности с сохранением необходимого уровня ее эффективности и надежности. В пользу данного утверждения могут свидетельствовать имевшие место тенденции к постепенному увеличению прямых критериев максимальной аэробной производительности по мере продолжения стендовых испытаний. При этом наилучшие по сравнению со всеми этапами герметизации результаты были зафиксированы при заключительном тестировании этого периода. Кроме того, при заключительном функциональном обследовании, проведенном через несколько дней после окончания испытаний, выявлено статистически значимое увеличение (по сравнению с первичным обследованием) прямых критериев работоспособности (объема и времени нагрузки до ПАНО). Отмечено также повышение показателей газообмена, зафиксированных при достижении ПАНО, при существенно меньшей выраженности изменений параметров кровообращения. Обсуждение результатов За период проведения испытаний у всех обследованных лиц не зафиксировано тенденций к истощению УФВО, более того, имели место тенденции к его расширению. Возможно, выявленное при пребывании в заданной АрГГС снижение максимальной аэробной производительности является отражением не редукции УФВО, а своего рода «охранительной» реакции, направленной на предупреждение потенциально недопустимого дефицита кислородного обеспечения организма во время выполнения сверхинтенсивной физической работы. Проведенные в динамике наблюдения исследования психофизиологических качеств, умственной (в том числе операторской) работоспособности, клеточного состава крови, параметров обмена веществ, кислотно-основного состояния, показателей специфической и неспецифической защиты (в том числе аутоантителообразования), активности про- и антиоксидантной систем, свертывающе-противосвер-тывающей системы, уровня основных онкомаркеров и другие исследования состояния гомеостаза показали отсутствие недопустимых изменений у всех обследованных лиц на протяжении всего периода испытаний. Результаты перечисленных исследований подробно будут изложены в наших последующих публикациях. В ходе проведения исследований показана допустимость длительного (до 60 сут) непрерывного пребывания человека в заданной АрГГС. В течение всего периода испытаний выраженных отклонений здоровья и функционального состояния у обследованных лиц 7 Безопасность в чрезвычайных ситуациях Экология человека 2017.01 не отмечено, выполнение задач профессиональной деятельности происходит без существенного ущерба ее эффективности и надежности. Полученные результаты обосновывают возможность применения подобных сред на обитаемых гермообъектах для повышения их пожаробезопасности.

About the authors

A O Ivanov

Association of developers and producers of monitoring systems

Email: ivanoff65@mail.ru

V A Petrov

Association of developers and producers of monitoring systems

M S Bocharnikov

Special Design and Technological Bureau of electrochemistry with experimental plant

E N Bezkishkii

Association of developers and producers of monitoring systems

References

Supplementary files