Мониторинг антропотоксинов в обитаемых гермообъектах

Камера Шатерникова, описанная им в публикациях 1900—1910-х годов, стала первой в мире установкой такого рода, пригодной для многочасовых и многосуточных экспериментов. В ней проводились исследования основного обмена у человека и животных, изучалось влияние на метаболизм различных газовых смесей, и — что для нас особенно важно — впервые было экспериментально показано, что при длительной герметизации воздух насыщается летучими органическими веществами, выделяемыми испытуемыми. Хотя химическая идентификация этих веществ в то время была невозможна из-за отсутствия чувствительных аналитических методов, сам факт их присутствия был зафиксирован органолептически и по физиологическим реакциям.

Шатерников не употреблял термина «антропотоксины», но по существу именно он заложил экспериментальную базу для их будущего изучения. Созданная им камера стала прототипом всех последующих герметичных испытательных стендов — от советских имитаторов космического корабля до американских камер проекта LMLSTP.

1.2. Формирование терминологии и научных школ

В 1920—1940-е годы проблема «спёртого воздуха» продолжала привлекать внимание гигиенистов, однако подлинный прорыв произошёл позже, когда на повестку дня встал вопрос о пилотируемых космических полётах. В закрытом объёме космического корабля, полностью изолированном от внешней атмосферы, проблема накопления продуктов жизнедеятельности переходила из разряда дискомфорта в разряд угрозы безопасности.

Термин «антропотоксины» вошёл в научный обиход в середине XX века. Его авторство часто приписывают советским исследователям, хотя точная история возникновения слова остаётся не вполне документированной. Существенно, что в англоязычной литературе термин anthropotoxins распространён значительно меньше; западные авторы предпочитают говорить о human metabolic products, human-generated contaminants или bioeffluents. Тем не менее, в русскоязычной традиции «антропотоксины» закрепились и используются по сей день.

К началу 1960-х годов в СССР сформировалась мощная научная школа, занимавшаяся токсикологией замкнутых пространств. Её лидерами стали В. В. Кустов и Л. А. Тиунов — сотрудники Института медико-биологических проблем (ИМБП) и смежных организаций. В 1969 году они опубликовали фундаментальную монографию «Токсикология продуктов жизнедеятельности и их значение в формировании искусственной атмосферы герметизированных помещений» [1], которая вошла в многотомную серию «Проблемы космической биологии» (том 9).

Книга Кустова и Тиунова стала настольной для нескольких поколений специалистов. В ней впервые были систематизированы:

история учения об антропотоксинах;

процессы образования продуктов жизнедеятельности в ходе нормального обмена веществ;

подробная характеристика выделений, поступающих в окружающую среду с выдыхаемым воздухом, мочой, калом, потовыми и сальными железами кожи;

материалы по токсическому действию основных метаболитов на животных и человека;

принципы гигиенического нормирования их содержания в атмосфере герметичных объектов.

Монография заложила методологическую основу, на которой базируются все последующие отечественные работы в данной области, включая и ту серию экспериментов, что является центральной для нашей книги.

1.3. Космическая эра: программы «Салют», Skylab и «Мир»

С началом регулярных пилотируемых полётов (1961 год — полёт Ю. А. Гагарина, продолжительность 108 минут) проблема антропотоксинов не стояла остро: время пребывания в герметичной кабине было слишком мало для значимого накопления метаболитов. Однако по мере увеличения продолжительности миссий ситуация менялась. Уже в ходе полётов кораблей «Восток» и «Восход» (до 5 суток) проводились замеры газового состава кабины, но перечень контролируемых параметров ограничивался O₂, CO₂ и, возможно, CO.

Качественный скачок произошёл с запуском долговременных орбитальных станций. Станции серии «Салют» (1971—1986) стали первыми постоянно обитаемыми гермообъектами с длительностью экспедиций от 23 до 237 суток. На «Салюте-4» (1975) был впервые применён комплекс «Астра», включавший газоанализаторы на CO, CO₂, NH₃ и другие соединения. На «Салюте-7» (1984) исследования показали повышенное содержание ацетона и ацетальдегида в периоды активной работы космонавтов на тренажёрах и при разгрузке грузовых кораблей «Прогресс». Важно, что временной анализ токсических примесей выявил транзиторный характер роста их концентрации — он длился не более четырёх часов, что свидетельствовало о быстрой работе систем очистки.

Параллельно в США на станции Skylab (1973—1974), рассчитанной на экипажи из трёх человек, были проведены три миссии продолжительностью 28, 59 и 84 суток. Именно Skylab дал первые систематические данные западной науки о накоплении антропотоксинов. С помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии было идентифицировано несколько десятков летучих органических соединений, включая ацетон, этанол, толуол, ксилолы. Результаты суммированы в сборнике «Biomedical Results of Skylab» (NASA SP-377, 1977) [5], ставшем ценнейшим справочным источником.

Станция «Мир» (1986—2001) с её модульной архитектурой и длительностью непрерывного обитания свыше 15 лет предоставила беспрецедентный объём данных. Здесь впервые столкнулись с тем, что по мере старения станции меняется химический фон — за счёт дегазации материалов, накопления микрофлоры и, как следствие, продуктов её метаболизма. На «Мире» велись регулярные замеры по расширенному перечню, включавшему не менее 40 веществ.

1.4. Наземные модели и международная кооперация

Параллельно с орбитальными исследованиями проводились наземные изоляционные эксперименты, позволявшие в контролируемых условиях моделировать длительное пребывание экипажа в герметичном объёме.

В СССР и России такие эксперименты имеют богатую традицию. В ИМБП начиная с 1960-х годов были проведены десятки гермокамерных испытаний продолжительностью от нескольких суток до года. Наиболее известными стали проекты серии «Марс» — «Марс-500» (2007—2011), моделировавший пилотируемый полёт на Красную планету, с изоляцией экипажа в течение 520 суток [18]. В ходе этого эксперимента осуществлялся детальный мониторинг химического состава среды, включая сотни параметров.

В США важнейшей вехой стали наземные испытания серии Lunar-Mars Life Support Test Project (LMLSTP), проведённые в Космическом центре им. Джонсона в 1990-х годах. Их особенностью было использование частично замкнутой системы жизнеобеспечения с регенерацией воды и воздуха, что приближало условия к ожидаемым в марсианской миссии. Данные LMLSTP легли в основу многих значений SMAC.

Европейское космическое агентство (ESA), со своей стороны, организовало проекты EXEMSI (1992) и последующие, а также использовало антарктическую станцию Concordia как модельную платформу для изучения психологических и физиологических эффектов изоляции. Хотя в Concordia основной фокус делался на психологию и иммунитет, данные по качеству воздуха также собирались.

1.5. Современный этап: МКС и проект «Марс-500»

С 2000 года на орбите функционирует Международная космическая станция (МКС) — крупнейший герметичный обитаемый объект в истории. Её атмосфера является результатом сложного взаимодействия нескольких систем: российской «Электрон» (получение O₂ электролизом воды), американской OGA (Oxygen Generation Assembly), систем поглощения CO₂ (российский «Воздух», американский CDRA), а также целого арсенала фильтров для удаления микропримесей.

Мониторинг на МКС осуществляется двумя параллельными комплектами аппаратуры — на российском и американском сегментах. Российский сегмент использует газоанализаторы для O₂, CO₂, H₂O, а также пробоотборники с последующей доставкой проб на Землю. Американский сегмент с 2015 года оснащён приборами AQM (Air Quality Monitor) на базе газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием, способными в автоматическом режиме определять до 40 соединений с пределами обнаружения порядка 10—50 ppb [13].

Современный этап характеризуется переходом от эпизодического контроля к непрерывному или квазинепрерывному мониторингу, а также активным внедрением спектроскопических методов (рамановская спектроскопия — прибор «РаПорт» [14]), позволяющих получать информацию в реальном времени. Тем не менее, как мы увидим далее, даже при таком техническом оснащении нормативная база остаётся неполной, и именно это задаёт направление актуальных исследований.

ГЛАВА 2. ИСТОЧНИКИ, СОСТАВ И ДИНАМИКА АНТРОПОТОКСИНОВ

Для того чтобы корректно подходить к нормированию, необходимо сначала ответить на вопрос: какие именно вещества, в каких количествах и с какой скоростью поступают в атмосферу герметичного объекта? В этой главе мы рассмотрим источники и состав антропотоксинов, опираясь на прямые измерения в гермокамерах и на орбитальных станциях.

2.1. Выдыхаемый воздух как главный источник

Выдыхаемый воздух — наиболее мощный и непрерывный канал поступления антропотоксинов. В отличие от пота и кишечных газов, эмиссия которых варьирует в зависимости от физической активности, температуры среды и питания, дыхание является постоянным процессом, и его интенсивность жёстко связана с уровнем метаболизма.

С выдыхаемым воздухом в атмосферу поступают:

Эндогенный оксид углерода (CO). Примечательно, что CO — не только продукт неполного сгорания топлива, но и нормальный метаболит, образующийся при катаболизме гема (в основном под действием гемоксигеназы). В покое концентрация CO в выдыхаемом воздухе составляет примерно 0,5—2 ppm, но может возрастать при гемолитических состояниях, воспалении и физической нагрузке [8].

Ацетон — кетоновое тело, продукт неполного окисления жирных кислот. Концентрация ацетона в выдохе в норме составляет от 0,3 до 1,5 ppm, однако при голодании, кетогенной диете или интенсивной физической нагрузке может повышаться в 3—5 раз. В условиях герметичного объёма, особенно при несбалансированном питании и психоэмоциональном стрессе, характерных для космических миссий, ацетон быстро накапливается до заметных величин.

Изопрен — углеводород, продукт мевалонатного пути синтеза холестерина. Является самым распространённым органическим соединением в выдохе человека (после ацетона).

Аммиак — образуется при дезаминировании аминокислот, частично выделяется через лёгкие.

Спирты (этанол, метанол) — в малых, но измеримых количествах продуцируются кишечной микрофлорой и выделяются лёгкими.

Альдегиды (формальдегид, ацетальдегид) — продукты перекисного окисления липидов и метаболизма этанола.

Особенность выдыхаемого воздуха как источника заключается в том, что его состав может служить индикатором физиологического состояния человека. Так, повышение уровня ацетона свидетельствует о переключении энергообеспечения на липидный обмен (кетоз), изменение соотношения ацетон/изопрен коррелирует с окислительным стрессом. Это обстоятельство активно используется в современных подходах к биомониторингу, о которых пойдёт речь в главе 6.

2.2. Транскутанная эмиссия и потоотделение

Через кожу человека непрерывно выделяются вода, электролиты и органические вещества. При комнатной температуре и отсутствии физической нагрузки этот канал относительно малозначим, но в условиях герметичного объекта, где температура часто повышена, а вентиляция неравномерна, его вклад возрастает.

Основные компоненты транскутанной эмиссии:

Аммиак — продукт гидролиза мочевины под действием бактериальной уреазы на поверхности кожи.

Алифатические амины (диметиламин, триметиламин) — имеют характерный «рыбный» запах; их количество сильно варьирует в зависимости от рациона (употребление рыбы, яиц, бобовых) [9].

Низкомолекулярные карбоновые кислоты — уксусная, пропионовая, масляная — продукты бактериального разложения пота и кожного сала.

Алифатические углеводороды — в небольших количествах выделяются сальными железами.

В условиях ограниченных возможностей для гигиенических процедур (расход воды на орбитальной станции строго лимитирован) транскутанная эмиссия может возрастать в разы, что делает этот путь поступления существенным фактором.

2.3. Кишечная микрофлора и продукты деструкции

Третий важнейший источник — кишечные газы и продукты микробной деструкции органических отходов в сантехнических системах. Состав кишечных газов сам по себе разнообразен: метан, водород, CO₂, сероводород, аммиак, индол, скатол и различные меркаптаны. В герметичном объекте эти вещества поступают не только непосредственно в воздух (через анальное отверстие), но и через систему ассенизации, где создаются благоприятные условия для размножения анаэробной микрофлоры.

На МКС идентифицировано свыше 100 видов микроорганизмов, многие из которых способны метаболизировать органические субстраты, образуя амины, кислоты и серосодержащие соединения [10, 11]. Образуется порочный круг: антропотоксины стимулируют рост микрофлоры, микрофлора продуцирует дополнительные токсины. Поэтому контроль микробной обсеменённости является неотъемлемой частью мониторинга антропотоксинов.

2.4. Динамика накопления в изоляционных экспериментах

Данные, полученные в нашем эксперименте [4] и позднее подтверждённые в «Марсе-500» [18], показывают, что накопление антропотоксинов носит выраженно нелинейный характер. В шестисуточном испытании концентрация ацетона возросла в 4 раза — от фоновых значений порядка 0,1 мг/м³ до примерно 0,4 мг/м³. Оксид углерода увеличился в 1,4 раза — с 12 до 17 мг/м³. Аммиак колебался около 2—3 мг/м³, по-видимому, в зависимости от времени, прошедшего после санитарной обработки.

В «Марсе-500» 520-суточный тренд был сложнее: на первых неделях концентрации росли быстро, затем темпы замедлялись, а по некоторым веществам наблюдался выход на плато. Это объясняется как адаптацией метаболизма испытуемых, так и действием систем очистки, эффективность которых со временем могла меняться. Ряд кетонов и ароматических углеводородов в «Марсе-500» демонстрировали двухфазную динамику: подъём в первые 100—150 суток и постепенное снижение к финалу.

2.5. Приоритетные токсиканты

Исходя из сочетания эмиссионных характеристик, токсичности и способности к кумуляции, в литературе [1, 3, 12] выделяют следующие приоритетные антропотоксины: CO, CO₂, ацетон, аммиак, фенолы, алифатические амины, формальдегид, бензол. В списке, предложенном в [4], фигурируют: CO, ацетон, аммиак, фенолы, аминосоединения и алифатические углеводороды. Как видно, перечни в целом совпадают, хотя «алифатические углеводороды» в [4] являются группой, что создаёт известные трудности при нормировании, о чём будет подробно сказано в главе 5.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ МОНИТОРИНГА

Мониторинг антропотоксинов прошёл длительную эволюцию от простейших качественных методов до автоматических многокомпонентных систем. В этой главе мы рассмотрим эту эволюцию, охарактеризуем современное состояние дел и обсудим методические ограничения, свойственные даже самым передовым подходам.

3.1. Эволюция инструментальной базы

Первыми инструментами контроля были индикаторные трубки — стеклянные ампулы, заполненные реагентом, меняющим цвет в присутствии определяемого газа. Они использовались на заре космонавтики и до сих пор остаются резервным средством благодаря простоте и дешевизне. Недостатки очевидны: субъективность визуальной оценки, ограниченная точность, невозможность автоматической записи данных.

С 1970-х годов широкое распространение получили электрохимические и оптические газоанализаторы, способные непрерывно измерять концентрации O₂, CO₂, CO, аммиака. Их точность достигает 1—2% от диапазона измерения, время отклика — единицы секунд. На российских станциях «Салют» и «Мир» устанавливались именно такие приборы.

Качественный скачок дала газовая хроматография (ГХ) в сочетании с масс-спектрометрией (ГХ-МС). Этот метод позволяет идентифицировать и количественно определять десятки органических соединений в одной пробе. Однако он требует отбора проб на сорбенты и последующего анализа в лабораторных условиях, что на орбите не всегда осуществимо.

В последние годы активно развиваются оптические методы, прежде всего рамановская (комбинационного рассеяния) спектроскопия. Приборы типа российского «РаПорт» способны за 2—3 с регистрировать наличие примесей на уровне миллионных долей (ppm и ниже) без предварительной пробоподготовки, в режиме реального времени [14]. Их главное преимущество — мультикомпонентность: один прибор может определять десятки газов.

3.2. Химические методы контроля на МКС

На МКС исторически сложилась ситуация параллельного существования двух мониторинговых систем. Российский сегмент по-прежнему полагается на комплекс «Воздух» (CO₂, CO, NH₃, H₂S), дополненный пробоотборниками для последующей наземной ГХ-МС. Американский сегмент с 2015 года эксплуатирует AQM (Air Quality Monitor), который автоматически отбирает пробы атмосферы и анализирует их с помощью ГХ-МС. AQM идентифицирует до 40 соединений, включая ацетон, этанол, формальдегид, толуол, ксилолы, хлорметан и другие, с пределами обнаружения порядка 10—50 ppb (частей на миллиард) [13, 19]. Данные AQM передаются на Землю в телеметрическом режиме.

Тем не менее даже AQM не обеспечивает полного охвата. Некоторые вещества, например аминосоединения и низкомолекулярные кислоты, плохо улавливаются стандартными сорбентами и требуют специальной пробоподготовки.

3.3. Биомониторинг: цитохимические подходы

Химический мониторинг, при всей его важности, даёт лишь косвенную оценку потенциальной опасности. Реальный токсический эффект зависит от суммы факторов: концентраций всех присутствующих веществ, их взаимодействия, индивидуальной чувствительности организма. Отсюда возник интерес к биомониторингу — непосредственной регистрации физиологического ответа на средовой коктейль.

В нашем эксперименте [4] в качестве биологического индикатора были выбраны цитохимические показатели лейкоцитов. Конкретно определялись: активность сукцинатдегидрогеназы (митохондриального фермента), кислой и щелочной фосфатаз, миелопероксидазы, а также содержание гликогена и липидов в нейтрофилах и лимфоцитах. Все эти параметры отражают функциональное состояние клеток иммунной системы и, как было показано в предыдущих работах, чувствительны к химическому стрессу [15, 16].

Результаты [4] показали статистически значимые изменения активности ряда ферментов в процессе накопления антропотоксинов, причём сдвиги в цитохимических показателях регистрировались раньше, чем появлялись какие-либо клинические жалобы у испытуемых. Это позволило выдвинуть гипотезу о пригодности цитохимических маркёров в качестве инструментов раннего предупреждения.

3.4. Методические ограничения и проблемы воспроизводимости

Несмотря на прогресс, сопоставимость результатов, полученных в разных экспериментах, оставляет желать лучшего. Причины:

Отсутствие единого протокола отбора проб. Каждая лаборатория использует свою методику отбора (скорость аспирации, тип сорбента, температура десорбции), что приводит к систематическим расхождениям даже при анализе одной и той же газовой смеси.

Недостаточная информация о валидации. В большинстве публикаций, включая [4], авторы не приводят подробных данных о калибровке, пределах обнаружения, воспроизводимости измерений. Это делает результаты трудно проверяемыми.

Малочисленность выборок. Этические и логистические ограничения приводят к тому, что изоляционные эксперименты проводятся на малых группах (6—8 человек, редко больше). Статистическая мощность таких исследований низка.

Неспецифичность биомаркёров. Цитохимические сдвиги могут быть вызваны не только химической экспозицией, но и стрессом, физической нагрузкой, циркадными ритмами [17], что снижает специфичность показателей.

При ретроспективной оценке нашего эксперимента [4] следует признать, что в опубликованных тезисах не были приведены сведения о валидации газохроматографической методики, объёме выборки и статистической обработке, что затрудняет интерпретацию полученных ПДК и ограничивает их воспроизводимость. Это обстоятельство побудило нас к максимально критическому подходу в данной монографии.

ГЛАВА 4. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ АНТРОПОТОКСИНОВ

Токсикологическая оценка антропотоксинов осложнена двумя обстоятельствами. Во-первых, они действуют на организм постоянно, круглосуточно, а не дискретно (как в случае производственных вредностей). Во-вторых, они присутствуют в смеси, и их эффекты могут взаимно усиливаться или ослабляться. В этой главе мы рассмотрим токсикологию отдельных приоритетных веществ и синергетических пар.

4.1. Оксид углерода и диоксид углерода: синергизм

Пара CO/CO₂ уникальна в контексте герметичных объектов. CO₂ в атмосфере обычно выступает как инертный фон; его концентрация 400—500 ppm (0,04—0,05%) не вызывает никаких физиологических сдвигов. В гермокамерах же CO₂ может достигать 0,5—2% (5000—20 000 ppm), и это принципиально меняет картину.

Оксид углерода связывается с гемоглобином в 200—250 раз прочнее кислорода, образуя карбоксигемоглобин (COHb). При нормальном атмосферном давлении и концентрации CO 15 мг/м³ уровень COHb составляет около 2—3%, что обычно не вызывает симптомов. Однако при одновременном повышении CO₂ возникает каскад неблагоприятных изменений. Во-первых, гиперкапния (избыток CO₂ в крови) сама по себе вызывает респираторный ацидоз. Во-вторых, CO₂ способствует закислению крови (эффект Бора), что сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо и уменьшает количество O₂, связываемого гемоглобином в лёгких. В-третьих, высокое парциальное давление CO₂ подавляет вентиляторную реакцию на гипоксию, которая могла бы частично компенсировать кислородное голодание.

Экспериментальные данные показывают, что 7-суточное воздействие CO в концентрации 15 мг/м³ при фоне CO₂ 1,5—2,0% (типичном для орбитальных станций) вызывает субъективно ощутимое снижение толерантности к физической нагрузке, головокружение и снижение когнитивных показателей [3, 12]. Именно поэтому в NASA-STD-3001 [19] для 7-суточного SMAC по CO указывается обязательное условие — фон CO₂ не должен превышать 1%. В [4] этот аспект особо подчёркивается, но, к сожалению, не получает количественного выражения в предложенных ПДК.

4.2. Ацетон, фенолы и аммиак

Ацетон — низкотоксичное вещество (IV класс опасности) при кратковременном воздействии. Именно поэтому SMAC NASA для 7 суток установлен на уровне 240 мг/м³, а ПДКр. з. РФ — 200 мг/м³. Однако длительное, многомесячное воздействие малых концентраций ацетона может иметь кумулятивный нейротоксический эффект. Ацетон хорошо растворим в липидах и проникает через гематоэнцефалический барьер. Хроническое воздействие в эксперименте вызывает снижение памяти и скорости реакции у грызунов. Этим, вероятно, объясняется значительно более строгий подход авторов [4], предложивших 50 мг/м³.

Фенолы — клеточные яды, поражающие мембраны, митохондрии и ферментные системы. Фенол in vitro ингибирует окислительное фосфорилирование даже в наномолярных концентрациях. Российская школа традиционно рассматривает фенолы как вещества с высокой опасностью отдалённых последствий, включая канцерогенез и мутагенез, и устанавливает для них более низкие ПДК. Этим объясняется 0,3 мг/м³ в [4] против 0,6 мг/м³ SMAC.

Аммиак — сильный раздражитель слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. При концентрациях 20—30 мг/м³ быстро вызывает слезотечение, кашель, чувство удушья. Однако даже меньшие концентрации (5—10 мг/м³) при хроническом воздействии могут способствовать развитию бронхитов и снижению мукоцилиарного клиренса. В условиях невесомости, когда мукоцилиарный транспорт сам по себе нарушен, этот эффект может усиливаться.

4.3. Алифатические и ароматические углеводороды

Эта группа неоднородна по токсичности. Низшие алифатические углеводороды (пентан, гексан) при ингаляции в высоких концентрациях (сотни мг/м³) вызывают наркотический эффект, при хроническом воздействии — полинейропатию (характерную для гексана). Ароматические углеводороды (бензол, толуол) значительно токсичнее: бензол является канцерогеном группы 1 по классификации МАИР, связывается с костным мозгом и вызывает лейкозы. Именно поэтому дифференцированное нормирование по компонентам, принятое в NASA и российских ПДКр. з., более обоснованно, чем групповое (как в [4]).