Introduction. Ambient air pollution is a widespread and pressing issue. This necessitates the development of methods for estimating and predicting progression of pathologies on the base of evolutionary mathematical models. Adaptation of the theoretical model to practice requires identification and verification procedures in real conditions of contamination of inhaled air with dust particles of various compositions.
The purpose of the work was to investigate regularities of distribution of dust particles with a different disperse, component and morphological structure in the human airways after inhalation from ambient air. The study involved performing a field experiment.
Materials and methods. We accomplished several investigations in 3 zones with different levels and structures of ambient air pollution. Disperse, component, and morphological structures of particles occurring in ambient (inhaled), deposited in various sections of the human airways, in exhaled air and blood were examined by electronic microscopy.
Results. Air quality in zones 1 and 2 did not comply with hygienic standards for suspended particles, PM10, PM2.5, metal compounds, etc. (up to 3.29 MPCm.s., 3.2 MPCav.s., 2.91 MPCav.y.) and formed increased hazard quotient for manganese, copper, nickel and their compounds, inorganic fluorides, suspended particles (up to 5.48 HQac, 3.42 HQch), respiratory and other hazard indices (up to 5.48 HIac, 8.59 HIch). The degree of sedimentation of small particles (PM2.5 or less) in different parts of the respiratory tract is uneven, they are able to penetrate into the lower airways and lungs of humans. More than 65% of all the particles deposited in the upper airways had a diameter bigger than 10 µm. PM2.5 accounted for more than 60 % in sputum in the lower airways and the share of PM1.5 reached 46.7 %. Particles smaller than 1.5 μm (90.5%) were predominantly recorded in blood biosubstrates, of which up to 88.1% of the particles had a sphericity of 0.9–1.0.
Limitations. Limited degree of precision of location of the examined sections in the respiratory system.
Conclusion. Common deposition regularities are mostly determined by sizes and morphology of dust particles. The component structure of inhaled air has practically no effects on regularities of particle deposition in various sections of the respiratory system; however, it can have substantial influence on types of pathologies progressing in the body. High shares of PM1.5 identified in inhaled air, the lower airways and blood require considering levels of PM1.5 and smaller particles in ambient air in settlements to be covered by hygienic standards. In future, the study results will be used in numeric modelling of accumulation of functional respiratory disorders and associated pathologies of other organs and systems and in predicting development of pathologies based on evolution mathematical models.
Compliance with ethical standards. The study was approved by the local ethical committee of the Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies (meeting protocol No. 2 dated 11.02.2021), and the Helsinki Declaration of the World Medical Association (as amended 2013) was carried out.
Contribution: Zaitseva N.V. — the study concept, organizing and accomplishing a field experiment, text editing, approval of the final version of the article; Kiryanov D.А. — the study concept and design, writing; Kleyn S.V. — hygienic assessment, selecting points for accomplishing a field experiment, writing; Tsinker М.Yu. — the study concept and design, experiment data analysis, description of the results, writing; Andrishunas А.М. — hygienic assessment, description of the results, writing. All authors are responsible for the integrity of all parts of the article.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Acknowledgement. The processing of the results of the experiment was carried out with the support of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for the implementation of basic scientific research (project FSNM-2023-0003).
Received: March 9, 2023 / Accepted: May 31, 2023 / Published: June 20, 2023
Введение. Загрязнение атмосферного воздуха как значимая проблема современности обусловливает необходимость разработки основанных на эволюционных математических моделях методов оценки и прогнозирования развития патологических состояний. Адаптация теоретической модели к практическому использованию требует проведения процедуры идентификации и верификации в реальных условиях загрязнения вдыхаемого воздуха пылевыми частицами различного состава.
Цель работы — исследование закономерностей распределения пылевых частиц атмосферного воздуха разного дисперсного, компонентного и морфологического состава в воздухоносных путях человека в условиях натурного эксперимента.
Материалы и методы. Проведена серия исследований в трёх зонах, различающихся по уровню и структуре загрязнений атмосферного воздуха. Дисперсный, компонентный и морфологический состав частиц, присутствующих в атмосферном (вдыхаемом) воздухе, осевших в различных участках дыхательных путей человека, в выдыхаемом воздухе и регистрируемых в крови обследованных, исследован с использованием электронной микроскопии смывов, мазков, биосубстратов.
Результаты. Качество атмосферного воздуха в первой и второй зонах не соответствовало гигиеническим нормативам по содержанию взвешенных веществ, частиц РМ10 и РМ2,5, соединений металлов (до 3,29 ПДКмр, 3,2 ПДКсс, 2,91 ПДКсг) и формировало повышенные коэффициенты опасности марганца, меди, никеля и их соединений, фторидов неорганических, взвешенных веществ (до 5,48 HQас, 3,42 HQch), индексы опасности для органов дыхания и других систем (до 5,48 HIac, 8,59 HIch). Оседание мелких частиц (PM2,5 и менее) на различных участках дыхательного тракта неравномерно, они способны проникать в нижние воздухоносные пути и лёгкие человека. В верхних воздухоносных путях более 65% частиц имеют диаметр более 10 мкм. В мокроте нижних дыхательных путей доля частиц PM2,5 составила более 60%, из них РМ1,5 — до 46,7%. В биосубстратах крови преимущественно регистрировались частицы размером менее 1,5 мкм (90,5%), из них до 88,1% частиц имели сферичность 0,9–1.
Ограничения исследования: ограниченная степень точности локализации исследуемых участков дыхательной системы.
Заключение. Общие закономерности оседания пылевых частиц определяются в основном их размерами и морфологией. Компонентный состав не оказывает значимого влияния на закономерности оседания в различных отделах дыхательной системы, но может существенно корректировать виды формируемых патологических состояний организма. Регистрация высокой доли твёрдых частиц PM1,5 во вдыхаемом воздухе, в нижних дыхательных путях и крови требует рассмотрения вопроса о гигиеническом нормировании содержания взвешенных частиц PM1,5 и менее в атмосферном воздухе населённых мест. Результаты исследования предполагается использовать при численном моделировании процессов накопления функциональных нарушений дыхательной системы, прогнозировании на основе эволюционных математических моделей развития патологических состояний.
Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Роспотребнадзора (протокол заседания № 2 от 11.02.2021 г.), проведено согласно общепринятым научным принципам Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации (ред. 2013 г.).
Участие авторов: Зайцева Н.В. — концепция исследования, организация и проведение натурного эксперимента, редактирование текста, утверждение окончательного варианта статьи; Кирьянов Д.А. – концепция и дизайн исследования, написание текста; Клейн С.В. — выполнение гигиенической оценки, выбор точек проведения эксперимента, написание текста; Цинкер М.Ю. — дизайн исследования, обработка и описание результатов эксперимента, написание текста; Андришунас А.М. — выполнение гигиенической оценки, описание результатов, написание текста. Все соавторы — ответственность за целостность всех частей статьи.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.
Финансирование. Обработка результатов эксперимента выполнена при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект FSNM-2023-0003).
Поступила: 09.03.2023 / Принята к печати: 31.05.2023 / Опубликована: 20.06.2023