Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях (стр. 2 )

Исследования с участием человека

Была проведена оценка влияния кислорода, полученного из ТКС, на организм человека при нормоксии применительно к условиям малых подводных многоцелевых аппаратов. Исследования проводились в герметической камере.

Был выбран режим 8 часового рабочего дня при 5 дневной рабочей неделе. В контрольных исследованиях использовался кислород промышленного изготовления (ГОСТ 5583-78). Концентрация О2 в камере в обеих сериях исследований поддерживалась на уровне от 19 до 21%. Концентрация углекислого газа не превышала 0.5%.

В опытной серии при пребывании испытателей в камере отмечено возрастание уровня СЖК и его постепенное возвращение к исходному уровню в период исследования последействия.

Существенных отличий в динамике остальных биохимических показателей крови различий между сериями исследований обнаружено не было.

На основании полученных данных был сделан вывод о пригодности кислорода, полученного из твердого источника, для дыхания человеком на подводных обитаемых аппаратах малого объема в режиме 8-часового рабочего дня при 5-дневной рабочей неделе.

Были также проведены исследования чистого кислорода, получаемого из ТКС с участием 10 испытателей-добровольцев в возрасте 33-45 лет. Кислород получали с помощью переносного аппарата для получения кислорода медицинского назначения ГКМ6-1 "Нерпа". Содержание кислорода составляло 97.5-98%об., продолжительность дыхания в соответствии с назначением аппарата - 20 мин. Работа проводилась в лабораторных условиях.

Статистически достоверных различий между показателями ПОЛ, биохимическими, гематологическими показателями, параметрами функции внешнего дыхания и сердечно-сосудистой системы между контрольными и опытными сериями обнаружено не было.

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что кислород, получаемый из твердых кислородсодержащих соединений, по своему действию на организм человека не отличается от действия кислорода промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78. По чистоте получаемый кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ. Получено разрешение Минздрава России на его использование в медицинских целях.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ индивидуальных средств РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ГЕРМООБЪЕКТов В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ

За период многолетней эксплуатации ОС "Мир" имели место нештатные ситуации, связанные с отказами в работе систем обеспечения газового состава по кислороду и углекислому газу.

Простым и эффективным способом поддержания нормального состава газовой среды в гермообъекте является разработка аппаратных средств, не требующих электропитания и использующих в качестве движущей силы перепад давлений, создаваемый при дыхании. Метод основан на очистке газовой среды от углекислого газа путем его поглощения из выдыхаемого воздуха при одновременном насыщении кислородом. Регенеративный патрон располагается на линии выдоха. Выдыхаемый воздух обогащен углекислым газом до концентрации 3,5-4,5% и насыщен влагой практически до 100%, поэтому процессы очистки должны протекать чрезвычайно эффективно. Регенерация газовой среды гермообъекта осуществляется только за счет энергии легочной вентиляции.

Для оценки эффективности предложенного способа был разработан макетный образец индивидуального средства «Малыш-К», состоящий из регенеративного патрона, заполненного регенеративным веществом ОКЧ-3М, маски носоглотовой, клапанов вдоха и выдоха и гибких воздушных шлангов. Динамика концентрации кислорода и углекислого газа в гермообъекте при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава при использовании экипажем средства «Малыш-К» приведены на рисунке 1.

перерыв, маски сняты

 

Рисунок 1 – Изменение концентрации кислорода и углекислого газа в ходе проведения испытаний опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» с участием человека (экипаж 3 человека) в условиях гермообъекта (объем 6 м3)

В результате использования аппаратов «Малыш-К» концентрация кислорода в газовой среде несколько увеличивается, а концентрация углекислого газа не уменьшается. Это дает возможность членам экипажа периодически снимать индивидуальные маски для приема пищи, проведения санитарно-гигиенических процедур, оказания медицинской помощи и др. При полной загрузке патрона расчетное время защитного действия аппарата составляет не менее 10 часов.

Таким образом, испытания опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» в условиях гермообъекта, проведенные при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава, показали, что аппарат работоспособен в условиях гермообъекта и позволяет поддерживать содержание кислорода и углекислого газа в газовой среде по ГОСТ Р «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате» за счет энергии легочной вентиляции экипажа. Подана заявка на патент (рег. № ). Аппарат находится на стадии разработки эскизного проекта летного образца, предназначенного для использования в условиях космического полета.

Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного методом короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах

Областью применения адсорбционных генераторов кислорода является практическая медицина. На первом этапе работ был проведен сравнительный физико-химический анализ получаемого кислорода и кислорода медицинского по действующему ГОСТ. Эксперименты на животных и исследования с участием человека проводились по двум направлениям в соответствии с целевым назначением генераторов. Оценивалось воздействие получаемого кислорода на организм в состоянии гипероксии и гипоксии.

Технологическая схема адсорбционного генератора кислорода

Получение кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) основано на схеме Скарстрома, предложенной в 1960г. для осушки воздуха. Сжатый воздух после осушки при избыточном давлении поступает в емкость адсорбера. После адсорбции азота из воздуха цеолитом (молекулярным ситом) обогащенная кислородом газовая смесь разделяется на два потока. Часть через систему клапанов поступает во второй адсорбер для его промывки от азота, оставшегося после аналогичного цикла адсорбции, после чего обогащенная азотом смесь выбрасывается в атмосферу. Другая часть, обогащенная кислородом, через систему клапанов подается потребителю. Два адсорбера действуют в циклическом режиме "сорбция N2 - десорбция" в противофазе и обеспечивают постоянный поток продуктового газа. На базе СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН был изготовлен опытный образец адсорбционного генератора кислорода.

Санитарно-химические исследования

Сравнительные характеристики физико-химических свойств кислорода, полученного адсорбцией из воздуха, и кислорода медицинского по действующему ГОСТ представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительный состав кислорода медицинского по действующему ГОСТ и полученного методом КБА из атмосферного воздуха

Определяемое вещество	Ед. изм.	Кислород:
		По ГОСТ 5583-78	Полученный адсорбцией из воздуха
Кислород	% об.	99,5	95.2
Аргон	% об	-	3.6
Диоксид углерода	% об	0,05	не обнаружен
Оксид углерода	% об	0,3х10-4	Следы
Метан	мг/л	0,3х10-4	Следы
Бутанол-2	мг/л	н/о
Изоамиловый спирт	мг/л	н/о
Пропиловый альдегид	мг/л	н/о
Механические примеси	мг/л	н/о
Запах		Отсутствует

Выявлено, что измерения концентрации кислорода в газовой среде, проведенные на аппаратуре, работа которых основана на различных принципах (электрохимические датчики, термомагнитоэлектрический датчик, детектор по теплопроводности), дают несколько различные результаты, которые характеризуются повторяемостью и превышают собственные ошибки аппаратуры. Это указывает на различие физико-химических свойств кислорода медицинского и адсорбционного.

Был проведен анализ адсорбционной активности кислорода, полученного различными способами, на ионных кристаллах – цеолитах (таблица 3).

Обнаружено, что при давлении кислорода около 200 мм рт. ст. адсорбируемость разных образцов кислорода различается в 1,5 раза, а эффективные коэффициенты диффузии – в 3 раза.

Таблица 3 - Адсорбционно-кинетические характеристики различных марок кислорода на цеолите CaLSX при температуре 293 К.

№ п/п	Марка кислорода	Адсорбция, мг/г при давлении	τ 05, с при 200 мм рт. ст	D O2, см2/с
~ 200 мм. рт. ст	~ 500 мм. рт. ст	~760 мм. рт. ст.
1	ОЧ	2.6	5.7	8.1	2	64
4	Медицинский	2.5	5.4	7.9	3	43
5	Адсорбционный	2.1	5.4	8.1	7	18

Примечание: τ 05- время отработки половинной адсорбционной емкости цеолита; D O2- эффективный коэффициент диффузии кислорода в цеолите.

При давлениях кислорода около 760 мм. рт. ст. различия в адсорбируемости кислорода разных марок уменьшается и составляют около 15 %.

Проведены масс-спектроскопические исследования изотопного состава кислорода, полученного разными способами.

Таблица 4 - Изотопные соотношения различных образцов кислорода

Образец	Изотопы кислорода:
О16	О17	О18
О2 медицинский	99,659	0,084	0,258
О2 адсорбционный	99,703	0,071	0,226
Литературные данные (воздух)	99,759	0,037	0,204
Воздух	99,766	0,039	0,206

Из анализа соотношения величин содержания тяжелых изотопов и коэффициентов диффузии следует предположение о том, что чем меньше тяжелых изотопов в составе кислорода, тем меньше коэффициент диффузии адсорбции в цеолите. Полученные результаты требуют дальнейшего исследования причин, влияющих на адсорбцию кислорода, механизма адсорбции, а также молекулярного состава образцов.

Таким образом, кислородообогащенные газовые смеси, полученные путем адсорбционного разделения атмосферного воздуха по сравнению с кислородом медицинским по действующему ГОСТ имеют в своем составе повышенный процент аргона (до 4,5%). Обнаружено, что при давлении кислорода около 200 мм рт. ст. адсорбируемость разных образцов кислорода различается в 1,5 раза, а эффективные коэффициенты диффузии в 3 раза. Происходит изменение соотношения изотопов кислорода в продуктовом газе. Увеличен процент изотопа О16, снижен процент изотопов О17 и О18. Работы выполнены совместно со (ГНЦ РФ - ИМБП РАН), и (ИФХ РАН).

Полученные данные явились основанием для проведения дальнейших исследований кислорода и кислородообогащенных газовых смесей, полученных путем адсорбции из атмосферного воздуха в экспериментах на лабораторных животных.

Эксперименты на животных

Исследование непрерывного ингаляционного воздействия кислорода, полученного способом адсорбции, в экспериментах на лабораторных крысах.

Эксперименты проводились на установке «Аргон». Подопытных крыс (линия “Wistar”, средняя масса 170 г) помещали в гипероксическую газовую среду:

-  с содержанием кислорода 90-95% по ГОСТ 5583-78 - контроль;

-  с содержанием кислорода 85-87% с 2,5-3,5% аргона; смесь, полученная путем адсорбции из воздуха – опыт.

По поведенческим реакциям, патоморфологической картине внутренних органов и биохимическим показателям крови у животных, содержавшихся в гипероксической среде, вне зависимости от способа получения кислорода наблюдаются ярко выраженные признаки, характерные для острого отравления кислородом. Различий между группами не выявлено.

Результаты экспериментов на животных не дают оснований для заключения о различии в действии кислорода и кислородообогащенных газовых смесей, получаемых способом КБА, по сравнению с аналогичными смесями на основе кислорода медицинского. В условиях гипероксии токсические эффекты кислорода являются ведущими.

Представляет большой интерес вопрос о влиянии адсорбционного кислорода на организм в состоянии гипоксии, которая вызывалась снижением концентрации кислорода в окружающей среде.

Исследование воздействия кислорода, полученного способом адсорбции, на эмбриогенез японского перепела.

Для оценки влияния газовых смесей с пониженным содержанием кислорода использовались эмбрионы японского перепела одомашненного (Coturnix coturnix japonica dom.) яйценоской породы. Гипоксическая среда является сильным повреждающим фактором для зародышей с достаточно хорошо известными морфологическими проявлениями. На этом фоне даже небольшое изменение свойств среды инкубации должно приводить к выраженным эффектам, направленным в ту или иную сторону.

Целью эксперимента была оценка влияния кислорода, полученного с помощью адсорбционного генератора кислорода с измененными физико-химическими свойствами, на ранний эмбриогенез японского перепела в гипоксической газовой среде (10%). Работа проведена совместно с , (ГНЦ РФ - ИМБП РАН).

Опытная группа инкубировалась в гипоксической газовой среде, где использовался кислород, полученный из адсорбционного генератора кислорода. Группа контроль-1 инкубировалась с использованием кислорода, полученного промышленным способом низкотемпературной ректификации (медицинский кислород), той же концентрации, а группа контроль–2 – в атмосферном воздухе. Опытные и контрольные эксперименты проводились на стенде «Аргон». Длительность каждого эксперимента составила 4 суток. Основные результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты инкубирования яиц японского перепела в газовой среде с содержанием кислорода 10% в течение 4 суток

Показатели	Опытная группа, О2 адсорбционный	Контроль-1, О2 медицинский по ГОСТ	Контроль-2, атмосферный воздух
Оплодотворенных яиц, шт	29	29	29
Эмбрионы на стадии развития всего живых, кол-во(%) 2,5-3 суток 3 суток 3-3,5 суток 3,5 суток 3,5-4 суток 4 суток	18(62%)* 2 2 8 6	21(72,4%)* 2 2 7 9 1	28(96,6%)* 28
Погибли на стадии развития всего, кол-во(%) 1 сутки 1-2 суток 2 суток 2-2,5 суток 2,5 сутки	12(37,9%)* 6 2 2 1	8(27,6%)* 2 2 3 1	1 1
Эмбрионы с аномалиями: Количество/случаи Виды аномалий: глаза тела мозга S-образная форма	6/9 3 4 нет 6	13/17 6 8 3 8

* - от количества оплодотворенных яиц.