Активным источником аэроионизации воздуха являются линии электропередач и возникающие на проводе явления коронного разряда. Установлено, что в зоне коронного разряда образуются высокореакционные токсические вещества - атомарный кислород, озон, окислы азота [2].
Действие этих веществ на организм достаточно хорошо известно в литературе, однако эффект сочетанного (перекрестного) влияния, который может иметь место в непосредственной близости от источника аэроионизации (зона коронного разряда), требует своего самостоятельного изучения.
Учитывая, что влияние озона, окислов азота и аэроионов на организм осуществляется через органы внешнего дыхания, в рамках проведенного исследования была поставлена задача - изучить влияние факторов газовоздушной среды в зоне коронного разряда на морфофункциональные изменения в легких и оценить изменения газового состава и КОС крови, которые являются «маркером» эффективности газообмена и кислородного обеспечения органов и тканей.
Методика исследования
Исследования проведены на беспородных лабораторных крысах массой 170-210г, которые содержались в виварии на стандартном корме. Моделирование коронного разряда осуществлялось на электросиловой установке с коэффициентом коронирования (Екр) на проводе Екр =Е/Ео=1,5, где:
Е - напряжение на поверхности провода,
Ео - начальное напряжение, соответствующее появлению короны.
В эксперименте животные помещались в мелкоячеистые металлические клетки, экранирующие электромагнитное поле, которые располагались в непосредственной близости от коронирующего провода в радиусе 20-40 см. В ходе эксперимента в пробах воздуха из клеток брали образцы для определения газового состава. Концентрацию NO и NO2 определили химическим методом, содержание озона - с использованием серебряных электродов, уровень легких и тяжелых аэроионов обоих знаков (n+, nˉ, N+, Nˉ) - с использованием прибора АИР-2.
Животные находились в опыте по 8 часов ежедневно в течение пяти дней. Образцы крови для изучения газового состава и кислотно-основного состояния (КОС) брали из хвостовой артерии до начала опыта, в конце 1, 4 и 8-го часа эксперимента. В образцах крови определяли напряжение O2 и CO2 (PаO2, PаCO2), pH и сдвиг буферных оснований (ВЕа) микрометодом Аструпа на газоанализаторе АМЕ-1 (Дания). Насыщение крови кислородом (SaO2) рассчитывали по номограммам с поправкой на pH.
В контроле после 8-часового воздействия в 1-й и 5-й дни эксперимента животных выводили из опыта введением большой дозы гексенала и хлористого калия, приводящей к остановке дыхания и сердца в диастолу. После наполнения легких воздухом трахею перевязывали, извлекали легкие и фиксировали в 10% растворе нейтрального формалина. В отдельных экспериментах под легким эфирным наркозом проводили методику прижизненной инъекции кровеносного русла водной взвесью черной туши (1:1) через левый желудочек сердца для оценки изменений интраорганного кровеносного русла. После фиксации и обезвоживания готовили просветленные и гистологические срезы толщиной 3-6 мкм, которые окрашивали по Ван-Гизону и гематоксилин-эозином. Морфометрия проводилась на светооптическом микроскопе "Люмам И-2" с использованием окуляр-микрометра МОВ-1-15 в соответствии с общепринятыми требованиями. На срезах легкого определяли диаметры внутридольковых легочных артериол (d л.а.), венул (d л.в.), капилляров (d к.), размеры альвеол (d альв.). Гистологические и просветленные препараты использовались для визуальной оценки тканевых нарушений или изменений.
Весь экспериментальный материал подвергнут статистической обработке с помощью пакета прикладных программ, ориентированных на исследование биологических объектов. Статистически значимые различия между признаками определяли по t-критерию Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ физико-химического состава газовоздушной среды в зоне коронного разряда при Е/Ео=1,5 (таблица 1) свидетельствуют, что через 1 час работы установки концентрация NO и NO2 увеличивается в 21 и 19 раз, сохраняясь стабильно высокой на протяжении 8 часов эксперимента. При этом уровень NO и NO2 не превышает ПДК для каждого из этих веществ [6].
Явления коронного разряда сопровождаются ионизацией атмосферного воздуха, что приводит к увеличению легких и тяжелых аэроионов обоих знаков (р < 0,001), причем прирост положительных ионов выражен в большей степени, чем отрицательных. Ионизация воздуха в зоне короны сопровождается появлением активных форм атомарного кислорода и озона. Результаты газоанализа газовоздушной среды свидетельствует об увеличении O3 на 256 и 435% во время 1 и 8-го часа работы установки. Атмосферная химия в зоне коронного разряда достаточно сложна и зависит от совокупности физико-химических факторов, включая структуру и форму провода, напряжение, температуру, влажность и т.д.(2). Исходя из этого, в эксперименте, проводимом в специальном зале, все условия опыта были, по возможности, максимально стандартизованы.
Известно, что газообразные O3, NO и NO2,, концентрация которых в зоне коронного разряда увеличиваются, являются высокореакционными, и действуют на организм как синергисты [7]. Априори можно было предположить, что «органом-мишенью» при действии этих газообразных веществ являются дыхательные пути и паренхима легких, так как они представляют собой «входные ворота» для газов [8]. Поскольку «маркером» эффективности внешнего дыхания являются изменения газового состава и КОС крови, во время эксперимента исследовали динамику этих показателей, которую оценивали в конце 1 и 8-го часа эксперимента.
Таблица 1
Физико-химический состав газовоздушной среды в зоне коронного разряда при Е/Ео=1,5
|
Показатели |
Контроль |
1 час работы установки |
8 час. работы установки |
|
NO, мг/м3 NO2 мг/м3 n+, ион/см3 n-, ион/см3 N+, ион/см3 N-, ион/см3 O3, % |
0,01 0,00 400 800 1270 1340 1 |
0,21 0,19 16000 31500 160000 130000 256 |
0,21 0,11 30000 13333 160000 130000 435 |
Примечание:* - концентрация озона приведена в % от уровня в атмосферном воздухе, принятом за 1.
Результаты исследования показали, что через час пребывания в зоне коронного разряда кислородный режим артериальной крови практически не изменяется (таблица 2). При этом концентрация ионов водорода в крови снижается (р < 0,001), а РаСО2 имеет тенденцию к снижению на фоне развивающегося дефицита буферных оснований, что свидетельствует о сдвигах активной реакции в сторону компенсированного респираторного алкалоза. Описанные изменения свидетельствуют о высокой эффективности внешнего дыхания, а гипокапния и увеличение рНа, очевидно, являются следствием гипервентиляции, развивающейся в ответ на увеличение O3, NO и NO2 во вдыхаемом воздухе. После 8-часового пребывания в зоне коронного разряда описанная картина существенно изменяется. Обращает на себя внимание выраженная артериальная гипоксемия, когда РаО2 снижается на 15,6 мм рт. ст. (р < 0,001), что свидетельствует снижении эффективности легочной вентиляции. При этом увеличивается концентрация ионов водорода, что на фоне гиперкапнии и дефицита буферных оснований указывает на сдвиг активной реакции артериальной крови в сторону респираторного ацидоза и является свидетельством развивающейся дыхательной недостаточности.
Таблица 2
Изменения газового состава и КОС артериальной крови в динамике 8-часового пребывания в зоне коронного разряда на 1-5 сутки эксперимента (М+m)
|
Показатели |
Сроки эксперимента |
||||
|
1-е сутки |
5-е сутки |
||||
|
Контроль |
1 час |
8 час. |
1 час |
8 час. |
|
|
PaO2, мм рт. ст. |
94,6 + 1,9 |
90,2 + 2,2 |
79,0 + 3,1х |
72,8 + 4,5х |
76,0 + 3,8х |
|
Нb, ммоль/л |
139 + 10,1 |
141,3 + 12,5 |
155,5 + 8,5х |
150,5 + 6,6 |
152,2 + 8,8 |
|
SaO2, % |
96,5 + 0,3 |
96,6 + 0,4 |
92,5 + 0,7x |
91,5 + 0,5х |
93,8 + 0,4x |
|
рНа, усл.ед. |
7,40 + 0,01 |
7,47 + 0,02х |
7,33 + 0,01х |
7,34 + 0,01х |
7,33 + 0,01х |
|
ВЕа, ммоль/л |
+1,5 + 0,1 |
-1,9 + 0,1х |
-6,2+0,3х |
-5,9 + 0,7х |
-6,5 + 0,5х |
|
РаСО2, мм рт. ст. |
39,0 + 1,1 |
35,5 + 1,8х |
41,5 + 1,6х |
46,8 + 2,1х |
45,8 + 1,1х |
Примечание: х - здесь и далее, различия достоверны по сравнению с контролем (Р< 0,05)
На 5-е сутки эксперимента сдвиги газового состава и КОС артериальной крови возникают уже во время 1-го часа пребывания в зоне коронного разряда и сохраняются на всем протяжении 8-часового воздействия (таблица 2). Эти данные приводят к заключению о возможности возникновения морфофункциональных изменений в легких, развивающихся в ответ на ежедневное пребывание в условиях высокого содержания токсических окислов азота, озона и аэроионов, действующих как синергисты. В соответствии с данными литературы, каждое из этих веществ, имеющих класс опасности, в зависимости от дозы и длительности воздействия может привести к патологии легких [1, 5, 7, 8].
Исходя из этого, в рамках проведенного исследования была поставлена задача изучения структурных изменений на уровне транзиторных и респираторных отделов легких, а также оценить состояние конечного звена кровеносного русла легочных сосудов.
В таблице 3 представлены данные морфометрии респираторного отдела легких и изменения сосудов микрогемоциркуляции в условиях воздействия высокой концентрации окислов азота, озона и аэроионов на 1 и 5-е сутки после ежедневного 8-часового пребывания в зоне коронного разряда.
Таблица 3
Изменение просвета альвеол (алв.), внутридольковых легочных артериол, венул (л.в.) и капилляров (к.) после 8-часового пребывания в зоне коронного разряда (М + m)
|
Показатели |
Контроль |
1-е сутки |
8-е сутки |
|
d альв., мкм d л.а., мкм d к., мкм d л.в., мкм |
70,5 + 1,3 22,3 + 3,3 9,2 + 0,3 25,7 + 2,3 |
83,7 + 2,7х 15,9 + 2,9х 8,8 + 0,8 х 22,3 + 2,9х |
85,2 +3,3х 14,4 +2,1х 7,7 +0,6х 23,1 +2,7х |
Результаты исследования свидетельствуют, что в 1-е сутки эксперимента размеры альвеол увеличиваются, сохраняясь на этом уровне на 5-е сутки воздействия.
Полученные данные приводят к заключению об увеличении диффузионной поверхности легких, что улучшает условия для газообмена на уровне аэрогематического барьера. При обзорном рассмотрении гистологических препаратов установлено, что 8-часовое пребывание в экспериментальной газовоздушной среде сопровождается выраженными реактивными изменениями на уровне проводящих и респираторных отделов легких. Так, на уровне сегментарных и субсегментарных бронхов отмечается появление экссудата, набухание эпителия, имеются признаки разрыхления и отека бронхиальной стенки. Просвет терминальных бронхов сужен с признаками экссудата. При визуальном рассмотрении респираторного отдела легких наряду с увеличением «воздушности» в просвете альвеол прослеживаются признаки белкового преципитата, альвеолярные перегородки разрыхлены. Описанные изменения можно оценивать как реакцию на действие O3, увеличение которого во вдыхаемом воздухе приводит к рефлекторному бронхоспазму. Подобным действием обладают и окислы азота, которые в совокупности с O3 и аэроионами ухудшают бронхиальную проходимость. При этом, несмотря на увеличение размеров альвеол, появление в их просвете выпота, признаки отека альвеолярных стенок ухудшают диффузионную способность респираторного отдела легких и, можно полагать, являются одной из причин возникновения дыхательной недостаточности. Возможна и другая причина описанной артериальная гипоксемии и гиперкапнии, которая сопряжена с ухудшением перфузии легочных сосудов.
Результаты исследования свидетельствуют, что в 1-е сутки эксперимента просвет внутридольковых ветвей легочной артерии снижается при незначительных вариациях диаметров легочных венул и капилляров (таблица 3). Отмеченная легочная артериальная вазоконстрикция выглядит парадоксально, поскольку известно, что сосуды малого круга кровообращения на избыток O2 реагируют вазодилатацией (феномен Эйлера-Лильестранда), в отличие от микрососудов большого круга.
Исходя из этого, можно полагать, что артериальная гипоксемия и гиперкапния, отмеченные после 8-часового дыхания газовоздушной смесью в 1-е сутки эксперимента сопряжены с нарушениями в респираторном отделе легких, а отмеченная артериальная вазоконстрикция мелких легочных сосудов сопряжена с развивающейся гипоксемией.
Описанные в 1-е сутки эксперимента изменения паренхимы и сосудов легких носят реактивный компенсаторно-приспособительный характер. При этом можно полагать, что ежедневное 8-часовое воздействия могут привести к возникновению структурных адаптивных и/или дезадаптивных изменений, которые отмечались на 5-е сутки эксперимента.
Результаты морфометрии свидетельствуют о том, что размеры альвеол в этот срок эксперимента остаются повышенными (таблица 3). При обзорном рассмотрении гистологических препаратов в легких прослеживаются многочисленные эмфизематозные участки. Наряду с белковым преципитатом в просвете альвеол встречаются элементы крови. Альвеолярные перегородки разрыхлены, отечны, встречаются участки с нарушениями их целостности, т.е. появляются признаки интерстициального и альвеолярного отека легочной ткани, что, можно полагать, является причиной ухудшения газообмена на уровне аэрогематического барьера. Этому способствует и ухудшение бронхиальной проходимости на 5-е сутки эксперимента. При гистологическом исследовании в субсегментарных, междольковых и внутридольковых бронхиолах прослеживается наличие белковой жидкости, десквамация бронхиального эпителия. Имеет место разрыхление и увеличение бронхиальной стенки на фоне уменьшения просвета бронхиол.
Описанные преобразования транзиторных и респираторных отделов легких сопровождаются изменениями кровеносного русла. Обращает внимание сохраняющаяся на 5-е сутки эксперимента вазоконстрикция внутридольковых ветвей легочной артерии, что в определенной степени ухудшает перфузию легочных капилляров, диаметр которых оказывается сниженным (таблица 3). При рассмотрении просветленных препаратов в просвете альвеол и интерстициальном пространстве прослеживаются имбибиции туши, указывающие на увеличение проницаемости микрососудов, что подтверждает и диапедез эритроцитов.
Таким образом, описанные в 1-е сутки эксперимента реактивные компенсаторно-приспособительные изменения транзиторных и респираторных отделов легких на 5-е сутки пребывания в газовоздушной среде в зоне коронного разряда приобретают характер устойчивых изменений с признаками деструктивных изменений паренхимы легких. Возникающая при этом выраженная артериальная гипоксемия и ацидоз свидетельствуют о дыхательной недостаточности и создают предпосылки для нарушения кислородного режима организма и отдельных органов.
Рецензенты:
Генинг Т.П., д.б.н., профессор, зав. кафедрой физиологии и патофизиологии медицинского факультета Института медицины, Экологии и физической культуры ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск;
Каталымов Л.Л., д.б.н., профессор, профессор кафедры анатомии, физиологии и гигиены человека ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный педагогический университет им. И.Н. Ульянова», г. Ульяновск.