ТОКСИКОЛОГИЯ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Учебное пособие

Горение – физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающихся интенсивным выделением теплового (инфракрасного) и светового излучения. Для горения характерны три основных признака: химическое превращение исходного вещества, выделение тепла и света. Отсутствие какого-либо из указанных признаков свидетельствует о том, что рассматриваемый процесс к горению не относится. Например, «горение» электрической лампочки (отсутствует химическое превращение), коррозия металлов (отсутствует выделение света и практически незначимым является выделение тепла) и т.п.

Для возникновения процессов горения необходимо наличие горючего вещества и окислителя. Для инициирования возгорания необходимо наличие источника зажигания. Иногда горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение^[2]). Для возникновения горения должны быть соблюдены следующие условия:

Скорость химической реакции окисления при горении очень высока, это связано с тем, что согласно правилу Вант-Гоффа^[3], при повышении температуры на каждые 10 °С константа скорости реакции увеличивается в 2-4 раза.

Основные физические процессы протекающие при горении – это тепло- и массообмен с окружающей средой за счет процессов конвекции, диффузии и излучения.

При горении органических веществ образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты горения (диоксид углерода (СО₂), монооксид углерода, вода и др.). При горении неорганических веществ, например некоторых металлов, могут образовываться и нелетучие продукты горения. Плотность летучих продуктов горения в 3-5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов горения, сопровождающийся всасыванием воздуха снизу к очагу горения. Эти процессы обуславливают массообмен (газообмен) и теплообмен очага горения с окружающей средой. Кроме того, теплообмен с окружающей средой осуществляется за счет инфракрасного и светового изучения (Рисунок 1). Лучистый поток распространяется во все стороны от зоны горения, в том числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и потом испаряется с выделением горючих газообразных продуктов, которые, смешиваясь с воздухом, поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени.

Выделяют гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение – это процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Наиболее распространено гомогенное горение газов или паров в воздухе. Гомогенное горение характерно для всех газообразных, большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пламени над поверхностью конденсированного горючего вещества. Гетерогенное горение ‑ это горение твердых горючих материалов непосредственно на их поверхности^[4]. Характерной особенностью гетерогенного горения считают отсутствие пламени (беспламенное горение).

Все горючие вещества и материалы^[5] можно подразделить по источнику их происхождения на естественные и искусственные (т.е., созданные в ходе промышленной деятельности человека). Горючие вещества и материалы классифицируют по их химической природе, происхождению, агрегатному состоянию, дисперсности и т.д.

По химической природе естественные горючие вещества и материалы подразделяют на два основных класса – органические и неорганические.

Органические горючие вещества – это все вещества на основе углерода и водорода, представляющие собой материалы растительного или животного происхождения, или же ископаемые вещества, т.е. добываемые из недр земли. Их применяют как в натуральном виде, т.е. сразу после их заготовки или добычи, так и после соответствующей переработки. К горючим веществам растительного и животного происхождения, применяемым в натуральном виде, относят древесину, растительные волокна (хлопок), растительные и животные жиры, масла. Неорганические горючие вещества и материалы представляют собой все простые и сложные вещества неорганической природы, способные к реакциям горения. По современной химической классификации это металлы и не металлы, а также различные их производные (Таблица 3).

Среди большого спектра искусственных материалов следует уделить отдельное внимание полимерным материалам. Полимерные материалы – это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа повторяющихся однотипных атомных группировок (мономеров^[6]), связанных между собой ковалентными связями, молекулярные массы которых находятся в пределах 10⁴-10⁷.

Существуют несколько принципов классификации полимеров. По происхождению выделяют природные^[7], искусственные (представлены химической модификацией природных полимеров) и синтетические полимеры, которые не имеют природных аналогов и созданы руками человека (Таблица 4).

Также существуют другие принципы классификации полимеров: по составу (органические, неорганические и элементорганические); по строению молекул (линейные, разветвлённые, лестничные, сетчатые) и др. Отдельно следует обратить внимание на принцип классификации полимеров по их отношению к нагреванию. Выделяют термопластичные полимеры (термопласты), которые при нагревании сначала размягчаются, а потом разрушаются (полиэтилен, фторопласты, полиамиды и др.) и термореактивные полимеры (реактопласты), которые при нагревании сразу разрушаются (полиуретаны, синтетические каучуки и др.).

Среди полимерных материалов первое место по объему производства занимают пластмассы. Пластмассы – конструкционные материалы, содержащие полимер, который при формовании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном (или высокоэластичном).

В настоящее время 80 % от общего объема производимых пластмасс – это термопласты, 20 % – реактопласты. Полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид составляют 85 % от всего объема производимых термопластов.

Полиэтилен – полимер этилена, твердый термопласт, устойчивый к действию всех кислот (кроме азотной), низких температур (до минус 70 °С), к воздействию высоких температур не устойчив (эксплуатация до 80 °С). Основная продукция из полиэтилена представлена водопроводными трубами, изделиями домашнего обихода (бутылки, фляги, стаканы, пробки и т.п.), электроизоляционными материалами и др. В медицине полиэтилен используют для протезирования сосудов и замещения костных дефектов.

Полипропилен – полимер пропилена, из которого изготавливают волокна, для технических и бытовых целей (стержни для шариковых ручек, части аппаратов для переливания крови, баллоны, бутыли и др.), в строительстве используют для армирования цемента (вместо асбеста). Полипропилен более термостоек, чем полиэтилен (выдерживает нагревание до 100 °С), но обладает меньшей морозостойкостью.

Полистирол – полимер стирола, твердый, прозрачный материал. Имеет высокие диэлектрические показатели, легко окрашивается, устойчив к действию кислот и щелочей, растворяется в бензоле, хлороформе, метилацетате. Существенные недостатки – хрупкость и низкая теплостойкость (эксплуатация при температурах не более 80 °С). Из полистирола изготавливают облицовочные покрытия, электроизоляционные материалы, галантерейные изделия, тару, посуду. В медицине полистирол используют для изготовления искусственных органов, закрытия дефектов черепа, протезирования зубов.

Поливинилхлорид (ПВХ) – полимер, состоящий из мономеров винилхлорида. На основе поливинилхлорида выпускают пластмассы двух типов: винипласт и пластикат. Винипласт – жесткий прочный материал с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами, из которого изготавливают сантехнические трубы, детали химической аппаратуры. Пластикат – мягкий эластичный материал, из него получают различные пленки, шланги, линолеум, искусственную кожу. Поливинилхлорид при нагревании более 180 ℃ подвергается интенсивной реакции дегидрохлорирования, сопровождающейся выделением хлороводорода (HCl) в окружающую среду.

Кроме перечисленных термопластов наиболее известны следующие полимерные материалы: полиметилметакрилат (оргстекло или плексиглас), полицианакрилат, политетрафторэтилен и полиакрилонитрил.

Отдельно следует рассмотреть политетрафторэтилен и полиакрилонитрил.

Политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт) – полимер фторэтилена, обладающий высокой устойчивостью ко всем химическим реагентам, поэтому его широко используют в химической промышленности. Полимер не теряет своих свойств в широком интервале температур (от минус 170 °С до 300 °С). Политетрафторэтилен обладает высокой механической прочностью, поэтому его применяют в производстве подшипников, поршневых колец. Полимер нашел широкое применение в быту (изготовление антипригарной посуды с тефлоновым покрытием) и в медицине (костные и суставные протезы). Политетрафторэтилен – это негорючий и не токсичный материал, но при температуре свыше 550 °С он разлагается с выделением высокотоксичных веществ.

Полиакрилонитрил – линейный полимер акрилонитрила белого цвета. Практически весь синтезируемый полимер используют для получения синтетических волокон (нитрон, акрилан, кашмилон, экслан и др.), содержащих более 75 % по массе полиакрилонитрила. Полиакрилонитриловые волокна нашли широкое применение в технике и быту: технические ткани типа «искусственной шерсти», рыболовные сети, транспортные ленты и др. При нагревании полиакрилонитрила на воздухе (в интервале температур 180-300 °С) происходят термохимические изменения полимера, сопровождающиеся поглощением кислорода и выделением газообразных, в том числе токсичных веществ.

Все полимерные материалы могут подвергаться различным видам деструкции вследствие воздействия на них химических, физических и (или) биологических факторов. В результате деструкции происходят разрывы химических связей в полимере, уменьшение молекулярной массы, потеря нужных свойств и др. Различают несколько видов деструкции полимеров (Таблица 5).

В чрезвычайных ситуациях, сопровождающихся пожарами, происходит термическая деструкция полимеров. Для каждого полимера характерна определенная область температур, в которой наблюдают его сравнительно быстрый распад. Химические связи при этом разрываются в любом месте полимера. В результате разложения полимера образуются летучие продукты (горючие и негорючие) и обугленный (карбонизированный) остаток. Термическую деструкцию полимеров в зависимости от содержания кислорода в атмосфере подразделяют на термоокислительную деструкцию (вследствие совместного воздействия тепла на полимер и кислорода) и пиролиз (термическое разложение органических веществ при недостатке кислорода).

Согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» основные поражающие факторы пожара включают в себя повышенную температуру окружающей среды и тепловые потоки, пониженную концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе, а также аэрозоли и токсичные продукты горения. Воздействие данных факторов на пожаре приводит к формированию комбинированных поражений.

Все более широкое применение различных полимерных материалов приводит к существенному расширению спектра образующихся на пожарах газообразных продуктов горения.

Характеризуя токсичность газообразных продуктов, образующихся при горении полимерных материалов, следует прежде всего отметить, что современные методы химического анализа позволяют идентифицировать в продуктах горения десятки веществ различной структуры. Например, при горении целлюлозы, обнаруживают до двухсот продуктов горения. Токсический эффект таких сложных газообразных смесей определяют содержанием в них токсичных компонентов, а также сочетанным характером их действия.

При токсикологической оценке многокомпонентных смесей важно установить наиболее токсичные соединения, количественно преобладающие в их составе. В качестве основных компонентов продуктов горения полимерных материалов можно выделить следующие группы токсичных веществ: общеядовитого (монооксид углерода, цианистый водород), пульмонотоксического (хлороводород, фтороводород), цитотоксического (полихлорированные дибензо-n-оксины и дибензофураны) и раздражающего (акролеин, формальдегид, ацетальдегид) действия.

Образование газообразных продуктов горения на пожаре зависит от состава материала (Таблица 9), подвергшегося термической деструкции, содержания кислорода в очаге пожара и от температуры горения.

Например, при термическом разложении поливинилхлорида при температурах 180-350 °С происходит реакция дегидрохлорирования с высвобождением в окружающую среду большого количества хлороводорода. При более высоких температурах в летучих продуктах горения поливинилхлорида обнаруживают значительное количество бензола и других ароматических углеводородов. Присутствие кислорода ускоряет процесс термической деструкции поливинилхлорида.

Помимо хлорсодержащих полимерных материалов широкое применение в деятельности человека находят фторсодержащие полимеры, например, политетрафторэтилен (тефлон). Данный полимер инертен в физиологическом и химическом отношении, однако при его нагревании более 550 °С, происходят реакции термодеструкции, сопровождающиеся выделением в атмосферу высокотоксичных перфторизобутилена (ПФИБ) и фтористого водорода.

При термической деструкции полистирола при температуре менее 500 °С образуется в основном мономер – стирол. При увеличении температуры (более 800 °С) происходит разложение продуктов деструкции на более мелкие молекулы (бензол, ацетилен, этилен, толуол, этилбензол, монооксид углерода и др.). При горении полиэтилена, в отличие от полистирола образуется лишь 1 % мономера, так как процесс распада полиэтилена носит хаотический характер. Установлено, что при низких температурах термической деструкции полиэтилена образуются тяжёлые продукты с эмпирической формулой близкой к (CH₂)_n, при более высоких температурах образуется значительная доля газообразных продуктов (формальдегид, ацетальдегид, монооксид углерода и др.).

При горении азотсодержащих полимеров, например полиакрилонитрила, высвобождается большое количество цианистого водорода, обладающего общеядовитым действием. Помимо цианистого водорода, в продуктах горения азотсодержащих полимеров обнаруживают оксиды азота, обладающие пульмонотоксическим и общеядовитым действием.

При одновременном поступлении в организм большого количества химических соединений, содержащихся в продуктах горения полимерных материалов, наблюдают неоднозначные эффекты сочетанного действия.

Суммирование – наиболее распространённый эффект, при котором конечный результат одновременного действия нескольких токсикантов будет равен сумме эффектов каждого из них. Так, например, при горении поливинилхлорида образуются хлороводород и монооксид углерода, оказывающие суммирующее токсическое действие на организм пострадавших.

Потенцирование или синергизм характеризуется тем, что конечный результат больше арифметической суммы отдельных эффектов. Например, воздействие на пострадавших монооксида углерода и оксидов азота будет обладать потенцирующим действием, вследствие более выраженного нарушения транспорта кислорода кровью.

Антагонизм – это снижение эффекта совместного действия токсикантов по сравнению с предполагаемой суммой отдельных эффектов. Например, при горении азотсодержащих полимеров образуются цианистый водород и оксиды азота (например, N₂O₂, N₂O₄, N₂O₃), сочетанное действие которых будет антагонистическим, за счёт образование метгемоглобина в крови и задержки части циан-иона (CN^–) в системном кровотоке (см. раздел 5.3).

В реальных условиях пожара наиболее часто встречают следующие смеси газов, оказывающие токсическое действие на организм человека (Таблица 10).

Важно отметить, что конечный эффект сочетанного действия этих газов определяется их концентрациями. Так, например, увеличение содержание диоксида углерода (2 % во вдыхаемом воздухе) приводит к рефлекторному тахипноэ, что увеличивает количество поглощённого монооксида углерода. А при воздействии высоких концентраций диоксида углерода (2-8 % во вдыхаемом воздухе) токсичность монооксида углерода снижается (антагонистический эффект) вследствие увеличения выделения кислорода из артериальной крови в метаболизирующие ткани на фоне увеличения парциального давления диоксида углерода в крови (эффект Вериго-Бора^[15]).

В качестве другого примера можно рассмотреть взаимное влияние хлороводорода и монооксида углерода, входящих в состав продуктов горения. Если концентрации обоих токсикантов близки к летальным, то большее значение в токсикогенной фазе интоксикации принадлежит монооксиду углерода. Хлороводород в данных условиях отягощает интоксикацию монооксидом углерода, вызывая более тяжёлые последствия (суммирование эффектов). В тех случаях, когда концентрации хлороводорода не оказывают явного токсического действия, а концентрация монооксида углерода достаточно высокая, раздражающее действие хлороводорода приводит к рефлекторному уменьшению частоты дыхательных движений и дыхательного объёма, что приводит к ограничению поступления монооксида углерода в организм и замедляет развитие интоксикации (антагонистическое действие).

Химическая структура монооксида углерода была впервые установлена У. Крушнэйком в 1800 году. Он показал, что в состав этого газа входят углерод и кислород. Большую роль в изучении его токсического действия сыграл Дж. Холдейн (1895 г.), который провёл серию экспериментов, в том числе и на себе, и описал симптоматику острого отравления монооксидом углерода в зависимости от концентрации этого газа во вдыхаемом воздухе и экспозиции.

Физико-химические свойства^[17]. Монооксид углерода – бесцветный газ (молекулярная масса – 28,01, температура кипения – минус 191,5 °С, давление пара^[18] – 26600 мм рт.ст. (35 атм)), без вкуса и запаха. Плохо растворим в воде, не адсорбируется активированным углём, горит на воздухе пламенем синего цвета с образованием диоксида углерода.

Токсичность. Монооксид углерода относят к IV классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Максимальная концентрация монооксида углерода в воздухе, которая не оказывает побочных эффектов на здоровье, при повторном ежедневном воздействии составляет 25 ppm (29 мг/м³). Мгновенноопасная^[19] концентрация монооксида углерода составляет 1000-1200 ppm (1,14-1,37 г/м³). Смертельная токсодоза (LCt₅₀) монооксида углерода при ингаляции человека составляет около 10000 ppm×мин (11,4 г×мин/м³).

Токсикокинетика. Параметры токсикокинетики монооксида углерода достаточно хорошо изучены. Поступление токсиканта в организм происходит ингаляционным путём. Скорость поступления в организм зависит от концентрации СО и кислорода во вдыхаемом воздухе. Легко преодолевая аэрогематический барьер, СО попадает в эритроциты, где связывается с Fe²⁺ гемоглобина (Рисунок 3) с образованием карбоксигемоглобина и распространяется с током крови по организму.

На скорость диссоциации карбоксигемоглобина влияют различные факторы. Так, скорость диссоциации HbCO увеличивается при уменьшении концентрации СО и увеличение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе, увеличении давления вдыхаемой смеси. Экскретируется монооксид углерод в основном через дыхательные пути с выдыхаемым воздухом. В небольшом количестве СО выделяется через кожу (0,007 мл/ч), несколько больше через желудочно-кишечный тракт и почки. После прекращения вдыхания монооксида углерода 60-70 % токсиканта выделяется из организма в течение первого часа после воздействия. За 4 ч удаляется 96 % адсорбированного организмом СО. Независимо от тяжести отравления, находящийся в крови монооксид углерода полностью выводится из организма в течение 12 ч, после прекращения контакта с этим токсикантом.

Токсикодинамика. Основной механизм острого действия монооксида углерода обусловлен образованием карбоксигемоглобина неспособного транспортировать кислород. Помимо этого, при взаимодействии СО и гемоглобина происходят конформационные изменения молекулы последнего, что приводит к затруднению диссоциации оксигемоглобина и уменьшению отдачи кислорода тканям. Поступая в мышечную ткань, монооксид углерода взаимодействует с миоглобином с образованием карбоксимиоглобина, тем самым нарушая его функцию снабжения мышц кислородом. При достижении концентрации карбоксимиоглобина свыше 25 % происходит значительное снижение интенсивности окислительного фосфорилирования в миоцитах. Клинически это проявляется в развитии мышечной слабости, при этом пострадавшие не могут самостоятельно выбраться из очага пожара. Вышеописанные механизмы острого действия СО приводят к развитию смешанной гипоксии, которая может стать причиной гибели пострадавших.

Помимо острого действия, отравление монооксидом углерода приводит к развитию отдалённых нарушений функций организма (см. раздел 4.3). На сегодняшний день опубликовано значительное количество научных работ, доказывающих, что помимо развития гемической гипоксии монооксид углерода, попадая в организм, запускает другие каскады патологических реакций. Экспериментально установлено, что воздействие СО может инициировать опосредованное поражение структур центральной нервной и сердечно-сосудистой систем в отдалённом периоде интоксикации. Это обусловлено торможением биоэнергетических процессов в митохондриях, активацией процессов программируемой клеточной гибели, угнетением антирадикальной защиты клетки и запуском оксидативного стресса, воздействием на систему вторичной клеточной сигнализации и др. Данные механизмы действия могут объяснить вариабельность клинических симптомов, которые развиваются у пострадавших, подвергшихся острой интоксикации монооксидом углерода.

Клинические проявления интоксикации. В клинике интоксикации монооксидом углерода выделяют типичную, синкопальную и эйфорическую формы отравления. Наиболее часто встречают типичную форму, которая может быть охарактеризована по степени тяжести отравления (лёгкая, средняя и тяжёлая) в зависимости от содержания карбоксигемоглобина в крови и клинических проявлений интоксикации.

Первыми на воздействие монооксида углерода реагируют органы и ткани с высоким потреблением кислорода, такие как головной мозг и сердце, это обуславливает клиническую картину острой интоксикации.

Начало контакта с монооксидом углерода протекает бессимптомно для пострадавшего. Затем развивается головная боль, преимущественно в височной области, головокружение, тошнота и рвота. У пострадавших отмечают миоз, плавающие движения глазных яблок, анизокорию. Резкое возбуждение сменяется оглушением, сонливостью, возможны зрительно-слуховые галлюцинации. По мере увеличения содержания токсиканта в организме происходит угнетение сознания вплоть до комы. Коматозное состояние сопровождается мышечным гипертонусом, появлением патологических рефлексов, иногда наблюдают тонические судороги. Нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы проявляются артериальной гипертензией с выраженной тахикардией.

Нарушения функций дыхательной системы проявляются в виде увеличения частоты дыхательных движений и одышки, сменяющимися в дальнейшем урежением дыхания. Летальный исход у таких пострадавших развивается вследствие выраженной гипоксии головного мозга, центрального угнетения дыхательного и сосудисто-двигательного центров, отёка головного мозга.

При снижении концентрации монооксида углерода во вдыхаемом воздухе и (или) при своевременном проведении лечебных мероприятий, происходит выход пострадавшего из коматозного состояния. После прекращения контакта с токсикантом, исчезают проявления острого отравления. Тем не менее, у таких пострадавших могут развиться отдалённые нарушения функций центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы.

У пациентов с тяжёлым отравлением монооксидом углерода, сопровождающимся потерей сознания, увеличением концентрации карбоксигемоглобина в крови свыше 25 %, после асимптоматического периода, развиваются отдалённые нарушения функций центральной нервной системы (ЦНС) и сердечно-сосудистой системы. Нарушения функций ЦНС проявляются в виде корковых нарушений зрения, нарушения процессов обучения, нарушения кратковременной и долговременной памяти, нарушения моторных функций. Основными проявления токсического поражения миокарда являются тахикардия, нарушение процессов реполяризации, стойкая желудочковая экстрасистолия, признаки электрической нестабильности миокарда.

Диагноз острого отравления монооксидом углерода выставляют на основе данных анамнеза, содержания карбоксигемоглобина в крови пострадавших (в тканях организма при проведении посмертного исследования). В зависимости от содержания карбоксигемоглобина в крови выделяют степени тяжести отравления монооксидом углерода: 20-30 % – лёгкая, 30-60 % – средняя, 60-90 % тяжёлая степень отравления. Качественное определение содержания карбоксигемоглобина в крови можно произвести при помощи различных экспресс-методов: проба с разведением водой (рисунок 4б), проба с кипячением, проба со щёлочью (Рисунок 4а), проба с формалином и др.

Существует прямая взаимосвязь между содержанием HbCO в крови и концентрацией монооксида углерода во вдыхаемом воздухе, однако, в клинической практике не всегда тяжесть состояния соответствует содержанию деривата гемоглобина в крови. Более того, портативными газоанализаторами, позволяющими оценить содержание HbCO в крови пострадавших, по штату мирного времени оснащены только военные госпитали от 600 коек и более. Таким образом, для определения степени тяжести отравления, в первую очередь необходимо ориентироваться на анамнез и клиническую картину интоксикации.

Проявления острого отравления монооксидом углерода можно представить на клиническом примере. Пострадавший 38 лет был эвакуирован из очага пожара сотрудниками аварийно-спасательного отряда. Осмотрен врачом скорой медицинской помощи. Предъявляет жалобы на тошноту, общую слабость, головокружение, пульсирующую боль в висках, давящую боль в затылочной области. Объективно: артериальное давление 110 и 60 мм рт.ст., пульс 76×мин^-1 ритмичный, нормального наполнения, дыхание самостоятельное, везикулярное с частотой 24×мин^-1, хрипов нет. Портативным газоанализатором было установлено, что содержание карбоксигемоглобина в крови составляет 34 %. При помощи портативного дыхательного аппарата пострадавшему проведён сеанс кислородотерапии (FiO₂ – 0,3, 1 ата), внутримышечно однократно введён раствор ацизола (6 % – 1,0) На фоне введения антидотов отмечено купирование проявлений интоксикации, снижение концентрации карбоксигемоглобина в крови до 3-5 %. Пострадавший госпитализирован в стационар. Диагноз по МКБ-10: «Т58 – токсическое действие окиси углерода».

Интоксикация монооксидом углерода приводит к развитию гемической и тканевой гипоксии, обусловленной нарушением функции гемоглобина и миоглобина. Степень тяжести интоксикации СО зависит от количества образовавшегося в крови карбоксигемоглобина. Важно отметить, что у 13-50 % пострадавших с тяжёлым отравлением СО, сопровождающимся угнетением сознания, концентрацией карбоксигемоглобина в крови свыше 25 %, развиваются отдалённые неврологические нарушения после латентного периода, который может длиться от 2 до 40 дней. К отдалённым нарушениям функций ЦНС относят когнитивные нарушения и двигательные расстройства. Таким образом, при остром тяжёлом отравлении СО, развиваются отдалённые нарушения функций ЦНС, которые значительно ухудшают качество жизни и работоспособность пострадавших^[20].

С учётом того, что при термодеструкции хлорсодержащих полимеров происходит выделение большого количества хлороводорода, именно его ингаляционное воздействие определяет исход интоксикации у пострадавших.

Физико-химические свойства. Хлороводород – газ (молекулярная масса – 36,4, плотность – 1,5 кг/м³, температура кипения – минус 85,1 °С, давление пара – 30780 мм рт.ст. (40,5 атм)) без цвета, с резким запахом. Хорошо растворяется в воде (до 500 объёмов газа в одном объёме воды) с образованием соляной кислоты.

Токсичность. Хлороводород относят ко II классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Максимальная концентрация хлороводорода в воздухе, которая не оказывает побочных эффектов на здоровье, при повторном ежедневном воздействии составляет 5 ppm (7,5 мг/м³). Раздражение слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей происходит при его концентрации во вдыхаемом воздухе около 50-100 ppm (0,74-1,5 г/м³). Минимальная концентрация хлороводорода, приводящая к поражению органов дыхания составляет 50 ppm (0,74 г/м³). Признаки поражения лёгких у человека возникают при вдыхании токсиканта в концентрации более 6000 ppm (8,9 г/м³) (экспозиция 1 мин). Средняя летальная концентрация для человека составляет 500-1300 ppm (0,7-1,9 г/м³, экспозиция 30 мин).

Токсикокинетика. Хлороводород поступает в организм ингаляционным путём. В случае образования высоких концентраций токсиканта в окружающей среде возможно развитие местного раздражающего действие на открытые участки кожных покровов. Хлороводород, взаимодействуя с водой слизистых оболочек дыхательных путей, диссоциирует до иона гидроксония и иона хлора (Рисунок 8).

Образовавшиеся продукты диссоциации приводят к локальному изменению рН, чем обусловлено их выраженное раздражающее действие на слизистые оболочки верхних дыхательных путей. В системный кровоток ни хлороводород, ни продукты его диссоциации не проникают, а выделяются из дыхательных путей с ретроградным током слизи.

Токсикодинамика. Хлороводород – гидрофильный газ, поэтому, как было сказано выше, при взаимодействии с водой слизистых оболочек верхних дыхательных путей он диссоциирует до иона гидроксония и иона хлора.

Увеличение содержания H₃O⁺ приводит к резкому изменению pH и денатурации макромолекул альвеолоцитов. Так как ион хлора обладает отрицательным зарядом, то он не может самостоятельно проникнуть через аэрогематический барьер. Таким образом, повреждающее действие хлороводорода на компоненты аэрогематического барьера, в первую очередь, связано с изменением pH и денатурацией макромолекул альвеолоцитов, что приводит к развитию коагуляционного некроза.

В эксперименте было установлено, что интоксикация хлороводородом, образующимся при пиролизе хлорированного парафина-70, приводит к нарастанию содержания провоспалительных цитокинов в легких лабораторных животных только через 3 ч после воздействия. Это связано с развитием типичной воспалительной реакции, направленной на лизирование повреждённых альвеолоцитов. Увеличение содержания провоспалительных агентов и непосредственное повреждение альвеолоцитов приводит к нарушению целостности аэрогематического барьера, выходу жидкости в интерстиций и альвеолярное пространство и манифестации токсического отека легких^[21] (Рисунок 9).

Клинические проявления интоксикации. Воздействие на пострадавших продуктов горения хлорсодержащих полимеров, в первую очередь, проявляется выраженным раздражающим действием, вызванным как аппликацией хлороводорода, так и частиц аэрозоля.

Воздействие хлороводорода (в концентрациях от 50 ppm (75 мг/м³)) на слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей приводит к возникновению раздражающего действия, которое сопровождается появлением кашля, чихания, отделением слизи из полости носа и рта, чувством жжения и рези в глазах, слезотечением, гиперемией конъюнктивы, отёком век и др. В случае воздействия высоких концентраций хлороводорода (более 10000 ppm (15,1 г/м³)) может возникнуть рефлекторная кратковременная задержка дыхания, обусловленная спазмом голосовой щели в ответ на раздражение рецепторов чувствительных нервных окончаний слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Во время скрытого периода интоксикации проявления раздражающего действия сохраняются.

По мере поступления хлороводорода вглубь дыхательных путей возникают проявления острого токсического бронхита, признаки которого зависят от глубины поражения стенки бронхов и её распространенности. Острый токсический бронхит по клиническим проявлениям значительно отличается от инфекционного бронхита, характеризуется диффузным поражением бронхиального дерева и распространением воспалительного процесса за пределы слизистой оболочки, нередко на всю толщу бронхиальных стенок и окружающую соединительную ткань. Объективно у пострадавших отмечают выраженный цианоз, бронхоспазм, стридор (свистящее шумное дыхание), обусловленное турбулентным воздушным потоком в дыхательных путях. Появляются признаки остро развивающейся эмфиземы легких, характеризующейся экспираторной одышкой, возникающей сначала при нагрузке, а затем и в покое.

Наиболее тяжёлым проявлением нарушений структуры и функции дыхательной системы у пострадавших, подвергшихся отравлению продуктами горения, содержащими хлороводород, следует считать химический легочной отёк (острый)^[22].

По мере пропотевания жидкости из интерстиция в полость альвеол происходит переход скрытого периода интоксикации в период основных проявлений. Отмечают увеличение частоты дыхательных движений, появление кашля с отделением мокроты, цианоз, участие вспомогательной мускулатуры в акте дыхания. Перкуторно определяют опущение нижней границы легких, при этом перкуторный звук приобретает коробочный оттенок. Аускультативно в базальных отделах легких выслушивают влажные мелкопузырчатые хрипы, количество которых нарастает по мере манифестации патологического процесса. При осмотре выявляют отделение из полости носа и рта пенистой мокроты, иногда с примесью крови.

В случае нетяжёлого течения отравления и (или) при проведении своевременной патогенетической и симптоматической терапии начинается стадия обратного развития (с 3 сут после отравления). Важно отметить, что в этот период достаточно часто присоединяется вторичная инфекция (стафилококковая или стрептококковая), сопровождающаяся развитием бронхопневмоний и дыхательной недостаточности. В отдалённом периоде интоксикации могут возникнуть хронические нарушения функции дыхательной системы.

В качестве примера нарушений со стороны дыхательной системы при отравлении продуктами горения на пожаре можно представить данные проведённого в 2017 г. ретроспективного исследования. Были проанализированы медицинские документы (истории болезни) пострадавших, поступивших в отделение токсикологической реанимации с диагнозом «Острое отравление монооксидом углерода и продуктами горения». При поступлении у 90 % пострадавших была установлена тяжёлая степень отравления продуктами горения. Основной причиной летальных исходов в 88,9 % случаев (по данным судебно-медицинского исследования) была острая дыхательная недостаточность смешанного генеза. Для верификации поражения паренхимы лёгких у пострадавших изучали рентгеновские снимки органов грудной клетки в задней и прямой проекции, выполненные на первые сутки после поступления. У 58,5 % пострадавших отмечали усиление легочного рисунка за счёт сосудистого компонента, снижение прозрачности лёгочных полей, размытые очертания корней лёгких (Рисунок 10).

В результате проведённого исследования было установлено, что поражение лёгких, обусловленное действием исключительно токсического фактора, у пострадавших на пожаре развивалось в 14,5 % случаев. Более того, у 77,8 % погибших развивалась двухсторонняя бронхопневмония, не ассоциированная с проведением искусственной вентиляции лёгких, которая может быть осложнением поражения лёгких.

При воздействии продуктов горения хлорсодержащих полимеров на пострадавших основные клинические проявления отравления будут связаны с сочетанным действием хлороводорода и монооксида углерода. Так, при изучении токсичности продуктов горения поливинилхлорида было установлено, что сочетанное действие образующихся монооксида углерода и хлороводорода существенно зависит от действующих концентраций токсикантов.

Если концентрации обоих токсикантов близки к летальным, то большее значение в токсикогенной фазе интоксикации принадлежит монооксиду углерода. Хлороводород в данных условиях отягощает интоксикацию монооксидом углерода, вызывая более тяжёлые последствия (суммирующий эффект).

Если в составе продуктов горения концентрации хлороводорода близки к летальным, а содержание монооксида углерода в образовавшейся на пожаре газовоздушной смеси находится в интервале сублетальных концентраций, то большее значение, как в токсикогенной, так и в соматогенной фазе интоксикации принадлежит отравлению хлороводородом. Воздействие монооксида углерода в сублетальных концентрациях в данной ситуации будет отягощать интоксикацию хлороводородом (суммирующий эффект).

В тех случаях, когда концентрации хлороводорода не оказывают явного токсического действия, а концентрация монооксида углерода достаточно высокая, раздражающее действие хлороводорода приводит к рефлекторному уменьшению частоты дыхательных движений и дыхательного объёма, что способствует ограничению поступления монооксида углерода в организм и замедляет развитие интоксикации (антагонистическое действие).

При горении азотсодержащих полимеров (пенополиуретаны, нитроцеллюлоза, полиамиды и др.) в атмосферу пожара, наряду с монооксидом углерода выделяются соединения азота: цианистый водород, аммиак и оксиды азота, при этом при увеличении температуры горения и содержания кислорода практический весь азот высвобождается в виде диоксида азота (Рисунок 11).

Примечание: молярные соотношения не учтены

Помимо этого, на пожаре диоксид азота может образовываться при связывании азота воздуха. В эксперименте было продемонстрировано, что при сгорании на воздухе полиамида образуются монооксид углерода, диоксид углерода, цианистый водород, аммиак, диоксид азота, бензонитрил и бензол (Рисунок 12).

Оксиды азота классифицируют в зависимости от степени окисления атома азота: гемиоксид азота – N₂O; монооксид азота – NO; диоксид азота – NO₂; сесквиоксид азота – N₂O₃; тетраоксид азота – N₂O₄; пентаоксид диазота – N₂O₅.

В условиях пожара пострадавший попадает под действие смеси оксидов азота, т.к. под влиянием различных факторов внешней среды происходит химическое превращение оксидов азота друг в друга. Содержащиеся в атмосфере пожара N₂O₃, N₂O₅ в виду своей малой стойкости и низкой токсичности не представляют интереса как токсиканты. Наибольшего интереса заслуживают диоксид и тетраоксид азота, клинические проявления интоксикации которыми характеризуются поражением дыхательной системы.

Физико-химические свойства. В стандартных условиях в газообразной фазе диоксид азота находится в равновесии с тетраоксидом азота. При увеличении температуры равновесие системы смещается в сторону диоксида азота, а при температуре более 140 °С практически весь N₂O₄ переходит в форму NO₂.

Диоксид азота – газ (молекулярная масса – 46,1, плотность – 2,05 кг/м³, температура кипения – 21,1 °С, давление пара – 720 мм рт.ст. (0,95 атм)) красно-бурого цвета. При температуре ниже 21 °С представляет из себя желтоватую жидкость. Тетраоксид азота – газ (молекулярная масса – 92,1, плотность – 1,44 кг/м³, температура кипения – 21,1 °С, давление пара – 720 мм рт.ст. (0,95 атм)). При взаимодействии диоксида и тетраоксида азота с водой происходит образование азотной и азотистой кислот (Рисунок 13).

В условиях пожара, с учётом высоких температур, весь тетраоксид азота переходит в диоксид азота, таким образом, целесообразно дать токсикологическую характеристику именно этого токсиканта.

Токсичность. Диоксид азота относят к III классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Максимальная концентрация диоксида азота в воздухе, которая не оказывает побочных эффектов на здоровье, при повторном ежедневном воздействии составляет – 3 ppm (5,6 мг/м³). Раздражение слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей развивается при концентрации диоксида азота во вдыхаемом воздухе более 20 ppm (38 мг/м³). Мгновенно-опасная концентрация диоксида азота составляет 100 ppm (190 мг/м³). Смертельная токсодоза диоксида азота при ингаляции человека составляет около 250 ppm×мин (0,5 г×мин/м³).

Токсикокинетика. Диоксид азота поступает в организм ингаляционным путём. С учётом того, что это гидрофильный газ, основное его количество взаимодействует с водой слизистых оболочек, что приводит к образованию азотной и азотистой кислот (Рисунок 13). В экспериментах с меченым диоксидом азота (¹³NO₂), было установлено, что его значительная часть задерживается в легочной ткани, причём задержка осуществляется всей легочной поверхностью. Максимальное количество ¹³NO₂ было обнаружено в трахее и крупных бронхах. Образовавшиеся продукты гидролиза диоксида азота выделяются из дыхательных путей за счёт ретроградного тока слизи, обусловленного ритмичным сокращением ресничек мерцательного эпителия.

Незначительная часть NO₂ проникает в системный кровоток через аэрогематический барьер и распределяется по всему организму. В крови продолжается превращение NO₂ в нитриты и нитраты, уровень которых прямо пропорционален концентрации NO₂ во вдыхаемом воздухе.

Поступивший в системный кровоток диоксид азота поступает в почки и в сердце (в головной мозг NO₂ не проникает). Находясь в сыворотке крови, образовавшиеся нитраты и нитриты взаимодействуют с гемоглобином с образованием комплексов Hb-SNO (нитрозогемоглобин) и Hb-NO (гидрозильный гемоглобин), что сопровождается нарушением его кислородотранспортной функции.

Образовавшиеся NO₂^- и NO₃^- выводятся из организма с мочой, калом и слюной. Основная часть метаболитов диоксида азота, попавших в системный кровоток, экскретируется из организма в течение 48 ч.

Таким образом, диоксид азота, помимо специфического действия на ткани лёгких оказывает системное действие, связываясь с гемоглобином и другими гемсодержащими молекулами, что приводит к нарушению их функций.

Токсикодинамика. Азотная и азотистая кислоты, образовавшиеся в верхних дыхательных путях при взаимодействии диоксида азота с водой слизистых оболочек, под действием силы тяжести «стекают» вглубь дыхательных путей, вплоть до аэрогематического барьера. Локальные изменения рН приводят к развитию коагуляционного некроза в компонентах аэрогематического барьера и нарушению его целостности. Несмотря на это основной механизм пульмонотоксического действия диоксида азота связан с активацией реакций свободно-радикального окисления в тканях лёгких.

У диоксида азота на внешней энергетической орбитали присутствует один неспаренный электрон, что обуславливает его свойства, как мощного окислителя, и даёт возможность этому соединению реагировать с ненасыщенными связями в биомолекулах, особенно с ненасыщенными жирными кислотами в составе фосфолипидов. Наибольшей чувствительностью к NO₂ обладают альвеолоциты 1 типа и клетки реснитчатого эпителия дыхательных путей. Альвеолоциты 2 типа и эндотелиоциты более устойчивы к повреждающему действию NO₂.

При остром воздействии диоксида азота в высоких концентрациях происходит образование свободных радикалов и инициация процессов перекисного окисления липидов, активация лизосомальных ферментов, формируются структурно-функциональные нарушения как липидной, так и белковой составляющей мембран, что в конечном итоге приводит к повреждению АГБ. Диоксид азота взаимодействует с ненасыщенными жирными кислотами фосфолипидов плазматических мембран, что приводит к развитию процесса перекисного окисления липидов (Рисунок 14).

Образовавшиеся липидные радикалы в присутствии молекулярного кислорода превращаются в гидроперекиси липидов. В свою очередь, гидроперекиси липидов активируют Ca²⁺-зависимую фосфолипазу А₂- и Fe²⁺-зависимую циклооксигеназу. Фосфолипаза А₂ воздействует на фосфолипиды, что сопровождается образованием из них арахидоновой кислоты. Циклооксигеназа, воздействуя на арахидоновую кислоту, приводит к образованию простагландина G₂, который, в свою очередь, под действием пероксидазы превращается в простагландин Н₂. В дальнейшем происходит образование высокоактивных тромбоксанов А₂ и В₂. Образовавшиеся биологически активные вещества попадают в системный кровоток и вызывают вазоконстрикцию в системе легочной микроциркуляции. Увеличение гидростатического давления обуславливает дальнейший каскад событий, приводящий к выходу жидкости в интерстиций и альвеолярное пространство и развитию токсического отёка лёгких (Рисунок 15).

Таким образом, развитие токсического отёка лёгких при интоксикации NO₂ связано как с прямым повреждающим действием образующихся кислот на аэрогематический барьер, так и с опосредованным, вследствие активации процессов перекисного окисления липидов в тканях лёгких.

Клинические проявления интоксикации. Клинические проявления интоксикации продуктами горения, содержащими оксиды азота, зависят от состава действующей газовой смеси (соотношения NO₂ и N₂O₄ и их концентраций).

Тем не менее, в большинстве случаев в продуктах горения азотсодержащих полимеров преобладает диоксид азота, ингаляционное воздействие которого приводит к раздражению слизистых оболочек верхних дыхательных путей и в дальнейшем к развитию поражения легких химической этиологии (Рисунок 16).

При воздействии на пострадавших продуктов горения, содержащих диоксид азота в высоких концентрациях (более 500 ppm (1 г/м³), развивается рефлекторная остановка дыхания и кровообращения (асфиксическая форма интоксикации).

Особенность отравления продуктами горения, содержащими диоксид азота, заключается в появлении химических ожогов кожи, конъюнктивы глаз и слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Такие отравления всегда сопровождаются тяжёлым общим состоянием пострадавших. Увеличивается вероятность присоединения вторичной бактериальной инфекции, чаще и быстрее проявляется острая дыхательная недостаточность, что резко ухудшает прогноз заболевания.

Проявления интоксикации диоксидом азота можно представить на клиническом примере. На металлургическом комбинате, в котором используют азотную кислоту для травления титановых плит, произошла авария, в результате которой 126 человек подверглись массовому отравлению. Концентрация диоксида азота была измерена только через 6 ч после аварии и составила 2,9 ppm (5,4 мг/м³). Первыми признаками острой ингаляционной интоксикации у пострадавших были нарушения со стороны дыхательной системы: сухой надсадный кашель, чувство першения и боли в горле, жжения за грудиной, одышка, затруднение дыхания, отхождение мокроты с примесью крови. Пострадавшие предъявляли жалобы на жжение и резь в глазах, слезотечение, отёк век, зуд кожи рук и лица, кислый вкус во рту. При объективном осмотре у пострадавших выявляли гиперемию зева и слизистой носа, отёчность слизистой верхних дыхательных путей. При аускультации выслушивали сухие хрипы. После скрытого периода у 98 пострадавших был поставлен диагноз острого ингаляционного отравления.

Согласно данным литературы, основная причина отравления цианистым водородом в развитых странах – это воздействие химического поражающего фактора на пожаре, возникающего при горении азотсодержащих полимеров.

Цианистый водород образуется при горении шерсти, в том числе искусственной, полиакрилонитрила (Рисунок 17), пенополиуретана, полиамидов и др. Экспериментально рассчитано, что при горении 1 кг полиакрилонитрила в помещении объёмом 30 м³ выделяется цианистый водород в летальной для человека концентрации.

При термодеструкции азотсодержащих полимеров выход цианистого водорода возрастает по мере увеличения температуры горения. Установлено, что около 40-45 % азота, входящего в состав таких полимеров, высвобождается в виде цианистого водорода. Малый приток воздуха способствует большему выделению HCN. Так как сочетание высокой температуры и низкого содержания кислорода не характерно для ранней стадии пожара, то образование летальных концентраций HCN маловероятно. После того, как горящий объект будет полностью охвачен пламенем, выделение HCN увеличивается и пострадавшие могут подвергнуться воздействию цианистого водорода в высоких концентрациях.

Важно отметить, что цианистый водород хорошо сорбируется пористыми материалами. Так, пары цианистого водорода длительное время (до нескольких суток) могут сохраняться в порах, например, несгоревшего пенопласта и в дальнейшем, десорбируясь, оказывать токсическое действие на участников ликвидации последствий пожара.

Физико-химические свойства. Цианистый водород – газ (молекулярная масса – 27,03, плотность – 0,68 кг/м³, температура кипения – 26,7 ℃, давление пара – 630 мм рт.ст. (0,83 атм)) без цвета, обладающий запахом горького миндаля, хорошо сорбирующийся пористыми материалами (в т.ч. активированным углём). Водный раствор цианистого водорода – это синильная кислота.

При взаимодействии синильной кислоты с альдегидами и кетонами образуются малотоксичные циангидрины, с серосодержащими соединениями – малотоксичные роданиды, со щелочами – токсичные соли (цианистый калий, цианистый натрий). Синильная кислота и её соли – хорошие комплексообразователи. В щелочной среде цианиды легко вступают в реакции комплексообразования с солями тяжёлых металлов, например, с сульфатом железа или меди. Подобные реакции используют для поглощения цианидов в фильтрующих противогазах или для индикации синильной кислоты и её солей.

Токсичность. Цианистый водород относят ко II классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Максимальная концентрация цианистого водорода в воздухе, которая не оказывает побочных эффектов на здоровье, при повторном ежедневном воздействии составляет – 0,2 ppm (0,22 мг/м³). Раздражение слизистых оболочек глаз развивается при его концентрации 5-10 ppm (5,5-11 мг/м³). Мгновенно-опасная концентрация цианистого водорода составляет 50 ppm (55 мг/м³). Смертельная токсодоза цианистого водорода при ингаляции человека составляет около 800-4000 ppm×мин (0,8-4,4 г×мин/м³). При длительном пребывании в атмосфере с высокой концентрацией цианистого водорода (свыше 5800 ppm (6,4 г/м³) без индивидуальных средств защиты кожных покровов, несмотря на наличие противогаза, может произойти отравления в результате перкутанного поступления токсиканта.

Токсикокинетика. На пожарах цианистый водород поступает в организм ингаляционно, легко проникая через аэрогематический барьер. С учётом того, что цианистый водород хорошо сорбируется на пористых материалах, он будет оседать на частицах дыма. Такие частицы могут проникать в глубокие отделы дыхательных путей и десорбировать со своей поверхности цианистый водород, что будет способствовать увеличению поглощённой дозы токсиканта. Цианистый водород может проникать через неповреждённые кожные покровы. Высокая температура воздуха и усиленное потоотделение увеличивают его перкутанное поступление.

Проникновение цианистого водорода через аэрогематический барьер происходит за счёт его диффузии по градиенту концентрации, согласно первому закону Фика^[23].

Молекула цианистого водорода хорошо растворима в воде, поэтому в крови превращается в синильную кислоту. Синильная кислота – слабая кислота, поэтому в системном кровотоке она быстро диссоциирует (Рисунок 18) на ион гидроксония и циан-ион. Накопление иона гидроксония приводит к сдвигу рН крови в кислую сторону:

Примечания: HCN – синильная кислота, H₃O⁺ – ион гидроксония, CN^– – циан-ион

Из кровотока в органы и ткани, в том числе через гематоэнцефалический барьер, проникает только целая молекула синильной кислоты, так как циан-ион, обладая отрицательным зарядом, не может проникнуть через биологические мембраны. В организме существует несколько систем биотрансформации циан-иона: реакции с образованием малотоксичных циангидринов (Рисунок 19) и роданистых соединений (Рисунок 20).

Взаимодействие циан-иона с эндогенным тиосульфатом происходит при участии фермента роданазы. Это основной путь в метаболизме цианидов, на него приходится до 80 % элиминации токсиканта. При этом интенсивность обезвреживания циан-иона составляет около 1 мг/кг в час. У млекопитающих роданаза содержится в значительных количествах в нервной ткани, особенно в ЦНС. Считается, что если скорость поступления токсиканта сопоставима со скоростью его биотрансформации в организме, то интоксикация практически не развивается.

Экскретируется циан-ион в чистом виде с выдыхаемым воздухом и в виде продуктов биотрансформации с мочой и слюной.

Токсикодинамика. Попадая в ткани, синильная кислота высвобождает циан-ион, который связывается с Fe³⁺ цитохрома аа₃. Образующийся комплекс циан-иона и цитохрома аа₃ достаточно прочный, в результате чего Fe³⁺ не может восстанавливаться, принимая электроны от цитохрома С. Таким образом, блокируется вся электрон-транспортная цепь митохондрий, что приводит к снижению образования АТФ^[24], и проявлению энергодефицита (Рисунок 21).

В первую очередь, от развившегося энергодефицита страдают ткани центральной нервной системы. Известно, что головной мозг человека использует около 20 % всего потребляемого организмом кислорода. До 90 % вырабатываемой и потребляемой энергии расходуется на процессы генерации, передачи и проведения нервных импульсов. Учитывая, что в головном мозге практически отсутствуют запасы АТФ, то блок электрон-транспортной цепи под действием циан-иона приводит к очень быстрому нарастанию проявлений интоксикации.

Угнетение тканевого дыхания в головном мозге приводит к возбуждению и последующей гибели нейронов. При больших концентрациях токсиканта смерть может наступить практически мгновенно. Установлено, что тяжесть отравлений HCN и другими цианидами зависит от степени ингибирования тканевого дыхания головного мозга (летальный исход весьма вероятен при угнетении тканевого дыхания на 70 %).

В патогенезе интоксикации цианистым водородом имеет значение способность циан-иона угнетать активность других железосодержащих ферментов (лактатдегидрогеназа, каталаза, глутатионпероксидаза и др). При отравлении цианидами по разному могут быть задействованы и другие биохимические механизмы, лежащие в основе формирования синдромальной картины отравления: блокада ферментов антиоксидантной защиты (глутатионредуктаза, глутатионпероксидаза и др.); угнетение пиридоксалевых ферментов (глутаматдекарбоксилазы), что ведёт к дефициту ГАМК; активирование растворимой гуанилатциклазы, что способствует увеличению концентрации цГМФ в ткани мозга и повышению судорожной готовности; нарушение механизмов регуляции гомеостаза внутриклеточного кальция и др.

Цианистый водород оказывает неодинаковое угнетающее действие на тканевое дыхание различных органов. Доказано, что сердечная мышца обладает большей устойчивостью к действию цианидов, нежели другие органы. Это может быть связано с разной степенью функционирования в клетках побочных путей клеточного дыхания, особенно, так называемого, цианрезистентного тканевого дыхания^[25]. В этих случаях электроны непосредственно поступают на кислород при участии некоторых ФАД-зависимых энзимов с образованием в качестве конечного продукта – пероксида водорода. Процесс цианрезистентного дыхания может составлять не более 3-5 % от основных биоэнергетических реакций в клетке, но стимуляция его в процессе лечения пострадавших может оказаться достаточно эффективным дополнением к основной схеме этиотропной терапии.

Клинические проявления интоксикации. Картина острого отравления продуктами горения, содержащими цианистый водород, характеризуется ранним появлением признаков интоксикации, быстрым течением, стремительным развитием смешанной (гемической и тканевой) гипоксии, преимущественным поражением центральной нервной системы и, в конечном итоге, гибелью пострадавшего вследствие центрального угнетения дыхания и кровообращения.

Острое отравление продуктами горения, содержащими цианистый водород, может протекать в двух формах: молниеносной (апоплексической) и типичной.

При молниеносной форме отравления симптомы интоксикации развиваются чрезвычайно быстро (угнетение сознания, тахипноэ и появление патологических ритмов дыхания, брадикардия, кратковременные судороги), смерть пострадавшего наступает через несколько минут после отравления. Генез данной формы интоксикации связан с угнетением тканевого дыхания в хеморецепторах каротидного клубочка вследствие воздействия на него высоких концентраций цианистого водорода. Это приводит к потоку афферентной импульсации в ЦНС и центральному угнетению дыхания и кровообращения.

При типичной форме отравления клинические проявления интоксикации нарастают постепенно, а летальный исход при тяжёлом отравлении может наступить в более поздние сроки. В типичной форме интоксикации продуктами горения, содержащими цианистый водород, выделяют три степени тяжести.

Легкая степень интоксикации характеризуется субъективными расстройствами: неприятный металлический вкус во рту, слабость, головокружение, тошнота, рвота, слюнотечение, онемение кончика языка и затруднение речи, одышка. Мышечная слабость и сонливость сохраняются в течение 1-3 сут, после чего наступает полное выздоровление.

При средней степени тяжести интоксикации к описанным выше симптомам присоединяются чувство страха смерти, состояние возбуждения пострадавшего. Дыхание поверхностное, видимые слизистые оболочки и кожа лица приобретают алую окраску^[26], выявляют брадикардию и артериальную гипертензию. Могут возникать клонические судороги, сопровождающиеся кратковременным угнетением сознания. Восстановление состояния пострадавшего происходит через 4-6 сут. В случае возникновения отдаленных последствий интоксикации, их генез обусловлен вторичными постгипоксическими изменениями.

При тяжелом отравлении проявления интоксикации возникают после короткого скрытого периода (около минуты). Условно в течение тяжёлой степени интоксикации выделяют 4 стадии: начальная, диспноэтическая, судорожная и паралитическая (Таблица 11).

Для лабораторной диагностики отравления цианидами исследуют газовый состав артериальной и венозной крови (Таблица 12). Так как кислород не используется в процессах тканевого дыхания, вследствие блока электрон-транспортной цепи циан-ионом, то его парциальное давление в венозной крови повышается. Отмечают снижение артерио-венозной разницы по кислороду (Pa-vO₂)^[27].

Считается, что патологоанатомические изменения мало специфичны, т.к. они сходны с таковыми при многих асфиктических состояниях. Чем стремительнее течёт отравление, тем меньше признаков, указывающих на воздействие цианидов. Тем не менее, помочь установить правильный диагноз помогают некоторые посмертные признаки отравления. В частности, запах горького миндаля, исходящий от органов и тканей трупа, алая окраска кожных покровов, видимых слизистых оболочек, скелетных мышц, сердца, и легких. Кровь жидкая, алого цвета. При проведении газохроматографического исследования в трупном материале (головной мозг, сердце, лёгкие и др.) обнаруживают цианиды.

Проявления интоксикации цианистым водородом можно представить на клиническом примере. Случай произошёл в исправительном центре города Безансон (Франция) в ноябре 2007 года. Мужчина, 23 лет был заключён под стражу до суда. В камере совершил суицидальную попытку путём вдыхания дыма от преднамеренно подожжённого матраса. Пострадавший подвергался воздействию продуктов горения в течение 30 минут. Был найден охраной исправительного учреждения с признаками остановки сердечной деятельности. Через 28 минут после начала выполнения мероприятий первичного реанимационного комплекса (непрямой массаж сердца, кислородотерапия) сердечная деятельность восстановилась. Прибывшей бригадой скорой медицинской помощи пострадавшему был введён гидроксокобаламин ( препарат Cyanokit), проведена интубация трахеи и налажена искусственная вентиляция лёгких. После восстановления сердечной деятельности определили артериальное давление – 150 и 100 мм рт.ст., пульс – 123×мин^-1, на ЭКГ – признаки субэндокардиального поражения. Пострадавший был госпитализирован в стационар. В крови пострадавшего обнаружили цианиды в концентрации 6,12 мг/л (у некурящегочеловека содержание цианидов в крови составляет не более 16 мкг/л), карбоксигемоглобин в концентрации 12 %. На основании обстоятельств происшедшего (ингаляционное отравление продуктами горения), признаков сердечно-сосудистой недостаточности, наличия цианидов и карбоксигемоглобина в крови пострадавшего был выставлен диагноз – острое отравление продуктами горения, содержащими цианистый водород и монооксид углерода. Через 8 суток пострадавший был выписан из отделения интенсивной терапии без каких-либо осложнений и отправлен в исправительный центр (Fortin J-L. et al., 2011).

Как правило, токсичность продуктов горения азотсодержащих полимеров обусловлена входящими в их состав монооксидом углерода, оксидами азота и HCN.

При высоких концентрациях монооксида углерода и низких концентрациях HCN токсическое действие газообразной смеси усиливается по типу суммирования эффектов.

Недостаток кислорода (снижение концентрации кислорода до 11-19 %) во вдыхаемой газовоздушной смеси практически не оказывает никакого влияния на токсическое действие монооксида углерода, но существенно увеличивает токсическое действие цианистого водорода.

Интересный эффект развивается при одновременном присутствии во вдыхаемом воздухе цианистого водорода и оксидов азота (с преобладанием в смеси N₂O₃ и NO). Образование метгемоглобина, вызванное поступлением в системный кровоток монооксида азота и сесквиоксида азота, приводит к тому, что циан-ион связывается с Fe³⁺ метгемоглобина (Рисунок 22) и не накапливается в тканях, тем самым не нарушая функционирование электронтранспортной цепи цепи митохондрий:

Таким образом, комбинированное действие смеси, содержащей N₂O₃, NO и цианистый водород будет антагонистическим.

При горении любых полимерных материалов образуются оксиды углерода (монооксид углерода и диоксид углерода), соотношение которых будет зависеть от содержания кислорода в атмосфере пожара. Важно помнить, что вдыхание газовоздушной смеси, содержащей большое количество диоксида углерода, будет приводить к рефлекторному увеличению частоты дыхательных движений и увеличению ингаляционного поступления других продуктов горения (в том числе и монооксида углерода).

Оказание помощи начинают немедленно на месте обнаружения пострадавшего. Для скорейшего прекращения поступления токсикантов в организм используют индивидуальные средства защиты (СИЗ) органов дыхания, осуществляют эвакуацию пострадавшего из очага химического поражения. К индивидуальным средствам защиты органов дыхания, используемым в условиях пожара, относят изолирующие^[30] и фильтрующие^[31] противогазы. Особенность применения фильтрующего противогаза заключается в обязательном оснащении его комплектом дополнительного патрона, в состав которого входит патрон ДП-2, содержащий осушитель и гопкалит^[32]. Следует помнить, что при содержании в атмосфере пожара монооксида углерода свыше 10000 ppm (11,4 г/м³), при снижении содержания в воздухе кислорода (менее 17 %) комплект дополнительного патрона малоэффективен. В этих случаях необходимо использовать изолирующий противогаз.

При бессознательном состоянии пострадавших проводят мероприятия по оценке витальных функций и, в случае необходимости, мероприятия первичного реанимационного комплекса. Одновременно с этими мероприятиями осуществляют вызов медицинских работников из числа медицинской службы части (или бригады скорой медицинской помощи государственной или муниципальной системы здравоохранения).

Согласно Федеральным клиническим рекомендациям в качестве средств этиотропной терапии используют кислород и ацизол.

Проведение кислородотерапии осуществляют в виде нормобарической^[33] оксигенации и гипербарической оксигенации. Лечебное действие нормобарической оксигенации заключается в более быстрой диссоциации HbCO и скорейшей элиминации монооксида углерода из организма. Механизм действия гипербарической оксигенации при интоксикации монооксидом углерода может быть связан с увеличением насыщения тканей кислородом и более быстрой элиминацией СО из организма, увеличением продукции АТФ. Режим кислородотерапии влияет на скорость диссоциации карбоксигемоглобина. Так, период полураспада HbCO при дыхании атмосферным воздухом составляет около 320 минут, при ингаляции 100 % кислорода снижается до 71 минуты, а при проведении гипербарической оксигенации (30 % кислород, избыточное давление 1,5 атм) – до 21 минуты.

Другой антидот монооксида углерода, который применяют как в Вооружённых Силах Российской Федерации, так и в гражданском здравоохранении представлен комплексным цинкорганическим соединением (бис-(1-винилимидазол)цинкдиацетат) – ацизолом. Препарат применяют в форме раствора (6 % – 1 мл) для инъекций. Ацизол вводят внутримышечно в объёме 1 мл (60 мг) в возможно более ранние сроки после воздействия монооксида углерода. В случае тяжёлого отравления ацизол вводят трёхкратно в течение двух часов, далее по 1 мл (60 мг) 2 раза в сутки. С целью профилактики отравлений монооксидом углерода, ацизол вводят внутримышечно в объёме 1 мл (60 мг) за 30 минут до вхождения в очаг пожара. Механизм антидотного действия ацизола основан на его способности к снижению сродства гемоглобина к монооксиду углерода, улучшению кислородосвязывающих и газотранспортных функций крови.

Суть патогенетической терапии острого тяжёлого отравления продуктами горения, содержащими монооксид углерода, заключена в коррекции отдалённых нарушений функций центральной нервной системы. Данный подход может быть реализован за счёт применения средств, обладающими нейропротекторными механизмами действия. Список средств, обладающих нейропротекторным действием достаточно разнообразен. На сегодняшний день наибольший интерес представляют препараты пептидной природы, в частности нейропептиды^[34]. Данные препараты уже широко используют в клинической практике для нормализации когнитивных функций, нарушенных при различных патологических состояниях.

При горении азотсодержащих полимеров, например полиакрилонитрила, в атмосферу пожара поступает большое количество цианистого водорода. Важно помнить, что цианистый водород может поступать в организм перкутанно, через неповреждённые кожные покровы, что требует использование в очаге пожара средств индивидуальной защиты кожных покровов фильтрующего типа^[35].

Средства этиотропной терапии отравления цианистым водородом (и другими цианидами), рекомендованные ВОЗ в рамках Международной программы химической безопасности, представлены амилнитритом, тиосульфатом натрия, 4-диметиламинофенолом, этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА) и гидроксикобаламином (препарат Cyanokit). Важно отметить, что на сегодняшний день в Российской Федерации в качестве антидота цианистого водорода и других цианидов зарегистрирован только натрия тиосульфат (Государственный реестр лекарственных средств (по состояния на 22 декабря 2021 года)).

Существует два подхода к этиотропной терапии отравления цианистым водородом: связывание свободной формы CN^– с помощью искусственного создания метгемоглобинемии и обезвреживание циркулирующего в крови токсиканта с помощью препаратов, превращающих CN^– и его производные в нетоксичные продукты (роданиды, циангидрины, комплексные соединения с тяжёлыми металлами).

Суть лечения с помощью метгемоглобина состоит в связывании свободного CN^–, циркулирующего в крови и высвобождаемого из диссоциирующего комплекса цитохром аа₃-CN с помощью Fe³⁺ метгемоглобина (смотри рисунок 22). В качестве метгемоглобинообразователей как антидотов цианидов изучали амилнитрит, азотистокислый натрий, 4-этиламинофенол (антициан). Важно отметить, что данные препараты на территории Российской Федерации не зарегистрированы.

К антидотам «второй линии» относят глюкозу, донаторы серы (тиосульфат натрия) и хелатирующие агенты. Глюкоза, связываясь с CN^–, образует малотоксичные циангидрины (Рисунок 19). Для этих целей внутривенно вводят 40 % раствор глюкозы в объеме 20-50 мл. Применение тиосульфата натрия способствует превращению CN^– и его производных в малотоксичные роданистые соединения (Рисунок 20). Тиосульфат натрия вводят в виде 30 % раствора в объёме 10-30 мл внутривенно.

Отравление продуктами горения хлор- и азотсодержащих полимерных материалов, содержащими хлороводород и диоксид азота, сопровождается выраженным раздражением слизистых оболочек трахеобронхиального дерева, что проявляется в виде ингаляционной травмы дыхательных путей. Лечение поражений трахеобронхиального дерева заключается в ингаляции или инстилляции растворов местных анестетиков (лидокаин), проведении санационной бронхоскопии, восстановлении проходимости и орошении верхних дыхательных путей 2 % раствором гидрокарбоната натрия, местном использовании аэрозолей анестетиков и антибиотиков и др.

В качестве наиболее тяжёлой формы патологии, развивающейся при отравлении продуктами горения полимерных материалов, содержащих вещества пульмонотоксического действия (хлороводород, диоксид азота, перфторизобутилен), рассматривают химический легочной отёк (острый). На сегодняшний день средств этиотропной терапии данной патологии не разработано. Подходы к патогенетической и симптоматической терапии совпадают с таковыми при отравлении пульмонотоксикантами. Важно помнить, что экстренная профилактика и терапия химического лёгочного отёка (острого) должна строиться на комбинированных принципах и предусматривать наряду с применением лекарственных средств патогенетической терапии, осуществление защитной вентиляционной стратегии.

Фармакологическая терапия химического легочного отёка (острого) заключаются в снижении давления в малом кругу кровообращения и стабилизации аэрогематического барьера.

Для снижения давления в малом кругу кровообращения целесообразно использовать нитропрепараты (нитроглицерин), ингибиторы фосфодиэстеразы, ганглиоблокаторы (азаметония бромид (пентамин)), α-адреноблокаторы (дроперидол) и др.

Мероприятия, направленные на стабилизацию компонентов аэрогематического барьера, предусматривают применение противовоспалительных препаратов: ингибиторы NO-синтетазы, ингибиторы циклооксигеназы, ингибиторы фосфолипазы А₂ и др.; стимуляторов антиоксидантной защиты клетки на примере ацетилцистеина, димеркаптопропансульфоната натрия (унитиол), тиосульфата натрия, комбинации ретинола и витамина Е (α-токоферол)^[36].

Респираторная поддержка – важный манёвр «выигрыша времени» для лечения пострадавших, подвергшихся воздействию продуктов горения полимерных материалов, обладающих пульмонотоксическим действием. Инвазивную механическую вентиляцию осуществляет анестезиолог-реаниматолог или врач-токсиколог после интубации трахеи. Наиболее оптимальные параметры для таких пострадавших должны соответствовать концепции «безопасной» искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ).

При проведении ИВЛ у таких пострадавших целесообразно поддерживать положительное давление в конце выдоха (ПДКВ). Эффективность данного метода обусловлена предотвращением спадения альвеол и поддержанием их в открытом состоянии, что обеспечивает лучшее поступление кислорода, увеличение функциональной остаточной ёмкости лёгких, перераспределение внесосудистой жидкости из альвеол в периваскулярное пространство, за счёт повышенного давления в альвеолах.

Проведение ИВЛ с ПДКВ представляет собой высокотехнологичную методику, реализуемую только на этапе первичной специализированной медико-санитарной помощи. В случае невозможности проведения ИВЛ с интубацией трахеи (отсутствие аппаратуры, медикаментов, специалистов) или при массовом поступлении пострадавших целевые значения ПДКВ могут достигаться неинвазивным методом путём создания постоянного положительного давления в дыхательных путях на выдохе.

СРАР (constant positive airway pressure) – режим ИВЛ с постоянным положительным давлением воздуха (4-20 см вод. ст.) в дыхательных путях. Использование атмосферного воздуха в режиме СРАР в скрытый период формирования поражения лёгких способствует расправлению спавшихся альвеол и уменьшению перераспределения жидкости в альвеолы из интерстиция. Данный метод респираторной терапии осуществляют при помощи аппарата ИВЛ, оснащенного функцией неинвазивной вентиляции, через плотно прилегающую лицевую маску, которая может иметь различный дизайн. Противопоказания к проведению данной методики: угнетение сознания, остановка кровообращения и дыхания, а также любые состояния, требующие интубации трахеи.

Симптоматическая терапия химического легочного отёка (острого), вызванного отравлением продуктами горения полимерных материалов, обладающих пульмонотоксическим действием, в первую очередь, должна быть направлена на коррекцию гипоксии. Для этой цели проводят ингаляцию кислородом (FiO₂ – 0,3-0,8, в зависимости от уровня артериальной гипоксемии). В экспериментальных исследованиях была показана эффективность применения антигипоксантов (амтизол, суназол, инозин+никотинамид+рибофлавин+янтарная кислота (цитофлавин)) при остром отравлении диоксидом азота и хлороводородом, механизм лечебного действия которых сопряжен с повышением устойчивости тканей организма к гипоксии.

Для снижения кислородного запроса тканей организма целесообразно проведение седативной терапии за счёт применения бензодиазепинов (мидазолам, диазепам), возможно применение производных фенциклидина (кетамин) в комбинации с бензодиазепинами, обеспечение покоя и согревание пострадавшего.

Для купирования бронхоспазма рекомендовано ингаляционное применение короткодействующих β₂-адреномиметиков (сальбутамол, фенотерол) и холинолитиков (ипратропия бромид, тиотропия бромид).

Пеногашение осуществляют ингаляцией паров этилового спирта с увлажнённым кислородом. Данный метод позволяет переводить отёчный экссудат из пенистого состояния в жидкое, что улучшает проходимость дыхательных путей. Для этого кислородно-воздушную смесь пропускают через увлажнитель, заполненный раствором этилового спирта (5 % раствор). Скорость потока сначала составляет 2-3 л/мин (изначально малая скорость потока связана с раздражающим действием паров этилового спирта на верхние дыхательные пути и опасностью развития бронхоспазма), затем скорость потока увеличивают до 9-10 л/мин. Длительность сеанса составляет 30-40 мин, повторную ингаляцию выполняют через 10-15 минут.

Указаны мероприятия, которые могут быть выполнены в соответствии с табельным оснащением этапов медицинской эвакуации по состоянию на сентябрь 2021 г.

Профилактика поражения продуктами горения на пожаре предусматривает ряд положений:

Первая помощь пострадавшим оказывается военнослужащими, спасателями аварийно-спасательных формирований и аварийно-спасательных служб, включает:

Первичная доврачебная медико-санитарная помощь пострадавшим оказывается фельдшером, включает:

Первичная врачебная медико-санитарная помощь пострадавшим оказывается врачом, предусматривает: