автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Биотехнические основы и математическое моделирование создания качественного аэроионного состава газовой среды обитаемых герметичных объектов

На правах рукописи УДК 629 7 048

АРГУНОВА АННА МИХАЙЛОВНА

БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЗДАНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО АЭРОИОННОГО СОСТАВА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ОБИТАЕМЫХ ГЕРМЕТИЧНЫХ

ОБЪЕКТОВ

Специальность- 05 26 02 "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" (авиационная и ракетно-космическая техника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003065850

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации —

Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Строганова Любовь Борисовна

Научный консультант

доктор биологических наук Новикова Наталия Дмитриевна

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт машиностроения 141070, Московская область, г Королев, ул Пионерская, д 4

на заседания диссертационного совета Д002 111 02 при ГНЦ РФ-ИМБП РАН по адресу 123007, г Москва, Хорошевское шоссе, д76а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ-Института медико-биологических проблем РАН

доктор технических наук Зорина Нина Георгиевна

кандидат технических наук Хабаровский Николай Николаевич

Защита диссертации состоится « октября 2007 года в 10 00 часов

Автореферат разослан « » сентября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совет доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Опыт многолетней эксплуатации длительно функционирующих космических объектов свидетельствует о том, что по мере увеличения продолжительности полета все большее значение приобретает санитарно-гигиеническое и экологическое состояние среды обитания

Создаваемые и поддерживаемые в космическом объекте условия искусственной среды обитания, адекватные потребностям человека являются благоприятными для жизнедеятельности большинства известных микроорганизмов При этом биоконтаминация воздушной среды, оснащения и оборудования обитаемых отсеков протекает с высокой интенсивностью в условиях непрерывной работы сменяющихся экипажей на борту, при осуществлении грузопотока (доставки с Земли заменяемого оборудования, расходуемых материалов и т п ) В этих процессах могут участвовать патогенные для человека бактерии и микроорганизмы - биодеструкторы, способные негативно влиять на работу приборов и систем жизнеобеспечения [Новикова НД, 2001, 2003] Кроме того, развитие микроорганизмов на поверхности материалов представляет определенную опасность для здоровья людей, поскольку бактерии и грибы, повреждающие материалы, могут вызывать различные заболевания у космонавтов [Кашкин П Н, Некачалов В Я, 1963, Тутельян В А , Кравченко Л В , 1985]

Как показал опыт эксплуатации российских орбитальных станций (ОС), комплекс систем обеспечения газового состава позволяет формировать и поддерживать необходимые условия среды обитания Так, в настоящее время, в условиях пилотируемого полета с положительным эффектом используется установка обеззараживания воздуха (УОВ) «Поток 150 МК», способная очистить от микроорганизмов воздушную среду даже при наличии высокой исходной микробной нагрузки [Наголкин А В и др, 2004] Однако следует отметить, что в связи с постоянным возрастанием количества экспериментов на борту и увеличением числа доставляемых грузов, а также в аспекте будущих межпланетных полетов, необходимо включение в состав системы биологической очистки воздуха дополнительных средств поддержания оптимальной и биопозитивной санитарно-микробиологической обстановки Кроме того, при длительной работе УОВ «Поток 150 МК» в пробах воздуха обнаруживается присутствие озона, что вносит существенные ограничения по времени в режимы ее эксплуатации [Балашов ЕВ и др, 1996] Поэтому необходимо повышать качество воздушной среды гермообъекта

Вместе с тем реализованная в настоящее время система по обеспечению микробиологической безопасности оказалась недостаточно эффективной в отношении

рисков, обусловленных жизнедеятельностью микроорганизмов на поверхностях конструкционных материалов интерьера и оборудования ОС [Дешевая Е А, 1999]

Кроме возникновения медицинских и технологических рисков, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, в последнее время особую значимость приобрела задача поддержания экологического баланса, обеспечивающего безопасность среды обитания во внутреннем объеме космического объекта

Эталоном биологически полноценной среды обитания для человека является земная среда [Вернадский В И, 1926], для формирования которой в замкнутом объеме необходимо создание систем жизнеобеспечения на основе биологических методов Воздушная атмосфера, в которой пребывают участники космического полета (КП), проходит многократные циклы регенерации После искусственной регенерации воздух сохраняет свои основные «макроскопические» свойства, но утрачивает некоторые микропримеси, к которым относятся в первую очередь легкие аэроионы и аэрозоли, что отрицательно сказывается на экологическом балансе внутри космического корабля

Решение проблемы улучшения качества воздуха на борту пилотируемой космической станции, и тем самым повышение безопасности КП, должно решаться путем формирования биологически позитивной для человеческого организма воздушной среды Таким образом, очевидна необходимость совершенствования методов и средств обеспечения микробиологической чистоты и улучшения качества воздушной среды обитаемых отсеков космических аппаратов, в том числе основанных на методах естественной самоочистки

В результате исследований, проведенных в Московском авиационном институте, было разработано устройство для обеззараживания воздуха «Галоингалятор» модель ИГК-02 [Патент РФ № 2209093, 2003], позволяющее создавать в замкнутых помещениях воздушную среду, эквивалентную атмосфере соляных пещер Известно, что одним из основных факторов микроклимата естественных подземных полостей и некоторых, искусственно пройденных горных соляных выработок является отсутствие аллергенов и патогенных микроорганизмов, и, что особенно важно, высокая объемная концентрация легких отрицательных аэроионов [Торохтин М Д, 1987] Работа прибора связана с выходом массы активного вещества из аппарата и насыщением до определенных значений газовой среды помещения Прибор является источником аэрозоля, содержащего мелкодисперсные частицы KCl и отрицательно заряженные аэроионы Прибор «Галоингалятор» позволяет снижать уровни микробной обсемененности воздушной среды и поддерживать их в пределах величин, регламентируемых SSP 50260 MORD для Международной космической станции Использование прибора «Галоингалятор» в гермообъектах может способствовать, с одной стороны формированию качественной, биопозитивной для человека воздушной среды, содержащей полезные отрицательные аэроионы, а с другой стороны будет оказывать

подавляющее действие на рост и размножение микроорганизмов, тем самым, предотвращая появление экстремальной ситуации на борту пилотируемого космического объекта

Экспериментальные и теоретические (с использованием математического моделирования) исследования процессов продуцирования микросолей естественного происхождения являются актуальной научной задачей, так как позволят сформировать качественную, биологически позитивную воздушную среду на борту пилотируемой космической станции, что приведет к повышению уровня безопасности и надежности космических полетов

Цель исследования

Обеззараживание воздушной среды и улучшение ее качественного состава на основе продуцирования микросолей естественного происхождения в целях обеспечения безопасности обитаемых герметичных объектов

Задачи исследования

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи

1 Сравнительный анализ современных методов обеззараживания воздуха,

2 Математическое моделирование и анализ процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермообьекта для инактивации микроорганизмов,

3 Определение механизмов инактивации микроорганизмов под воздействием воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»,

4 Экспериментальная оценка эффективности работы прибора «Галоингалятор» по обеззараживанию воздушной среды гермообъектов,

5 Экспериментальное обоснование и медицинская оценка воздействия на человека воздушного потока, продуцируемого новым биотехническим методом

Материалы исследования

1 Результаты лабораторных исследований основных характеристик воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»,

2 Результаты микробиологических исследований по очистке воздушной среды гермообьекта для уменьшения грибковых и бактериальных образований в рамках эксперимента «Воздух и комфорт»,

3 Результаты исследований по определению эффективности воздействия воздушного потока, создаваемого прибором «Галоингалятор», на микроорганизмы, обнаруживаемые на борту пилотируемых космических аппаратов,

4 Результаты медицинского исследования влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Галоингалятор», на организм человека, проводимого с целью анализа теоретически обоснованного предположения об активации иммунной системы,

5 Результаты исследования по оценке эффективности применения прибора «Галоингалятор» при лечении и профилактике респираторных заболеваний и при функциональном снижении гемоглобина крови

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались

1 Методы математического моделирования,

2 Численные методы математического анализа и математической статистики,

3 Сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных,

4 Экспериментальные методы исследования эффективности обеззараживания воздушной среды гермообъекта,

5 Экспериментальные методы исследования влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Галоингалятор», на организм человека

Научную новизну работы определяют:

1 Теоретически обоснованная математическая модель процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермообъекта, для инактивации микроорганизмов,

2 Экспериментальные данные о влиянии воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор» на уровень микробной обсемененности в герметичном замкнутом объекте с участием испытателей,

3 Медицинские данные о действии микросолей естественного происхождения на микроциркуляторное русло человека

Практическая значимость

1 Применение прибора «Галоингалятор» в тракте очистки и регенерации атмосферного воздуха межпланетного пилотируемого космического корабля позволит сформировать качественную, биопозитивную для человека воздушную среду,

2 На основе проведенных медицинских исследований прибор «Галоингалятор» внедрен в практику лечения и профилактики пациентов физиотерапевтического отделения ГВКГ ВВ МВД России

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку теоретических моделей, методик экспериментальных исследований, проведение

медицинских экспериментальных исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов

Положения, выносимые на защиту

1 Разработанная математическая модель процессов продуцирования микросолей естественного происхождения для инактивации микроорганизмов позволяет анализировать уровень микробной обсемененности воздушной среды гермообъекта,

2 Результаты микробиологических исследований по очистке воздушной среды гермообъектов, в том числе проводимых с участием испытателей, свидетельствуют о четко выраженном антимикробном действии прибора «Галоингалятор» на бактерии и грибы, формирующие микроэкосферу замкнутого объема,

3 Данные медицинских исследований подтверждают положительное влияние микросолей естественного происхождения на организм человека,

4 Управление качеством воздушной среды на борту длительно действующего орбитального или межпланетного космического объекта позволит повысить качество жизни и безопасность космонавта в полете

Исследования выполнены в рамках плановых научно-исследовательских программ ГНЦ РФ-Института медико-биологических проблем РАН, Московского авиационного института (Аэрокосмического факультета), Федерального управления «Медбиоэкстрем» и Федерального космического агентства «Роскосмос»

Реализация и внедрение результатов исследования

Проведено внедрение в практику лечения и профилактики пациентов физиотерапевтического отделения Главного военного клинического госпиталя ВВ МВД России нового метода и прибора «Галоингалятор» для насыщения воздуха аэроионами и аэрозолями лекарственных веществ в замкнутом объеме

Разработанный прибор принят в наземный эксперимент, моделирующий пилотируемый полет на Марс «Марс-500»

Апробация работы

Основные результаты и положения докладывались и обсуждались на

V и VI конференциях молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики (Москва, 2006, 2007 гг), XIII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2006 г), 5-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006 г)

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 6 работ

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и выводов Главы диссертации содержат постановку задачи исследования, описание теоретических и экспериментальных исследований

Библиография содержит 120 наименования (99 отечественных, 21 зарубежное)

Материалы изложены на 133 страницах машинописного текста, иллюстрированы 38 рисунками и 32 таблицами

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности проблемы создания аэроионного состава газовой среды в герметичных обитаемых объектах, цель работы, сформулированы задачи, показана научная новизна и практическая значимость результатов исследования, основные положения, выносимые на защиту диссертации

В первой главе на основе аналитического обзора литературных источников, описана общая характеристика микробного сообщества, формирующегося в обитаемых отсеках космического объекта Рассмотрены основные источники формирования микроэкосферы кабин пилотируемых космических объектов и характеристики микробиологических рисков, специфичных для условий космического полета (рисунок 1) [Новикова НД и др, 2001г] Основным фактором передачи микроорганизмов между членами экипажа во время пребывания в гермообъекте является воздушная среда В рамках исторического обзора описаны методы обеззараживания и борьбы с микробиологическими загрязнениями на борту космических объектов

Проанализированы основные современные методы и средства обеззараживания воздушной среды в присутствии человека такие как ультрафиолетовое излучение, ионизация, озонирование, ультразвук, а так же метод поверхностной модификации материалов Отмечено, что существующие методы имеют ограничения и противопоказания по использованию в объектах с присутствием людей (таблица 1)

В качестве одного из перспективных методов обеззараживания воздушной среды обосновано применение микросолей естественного происхождения Исследуемая воздушная среда оказывает положительное воздействие на организм человека

Микробная контаминация интерьера и оборудования

на этапах комплектации и

Рисунок I Микробиологический фактор в условиях космического полета

На основании проведенного сравнения характеристик различных методов и средств обеззараживания воздуха в присутствии людей представляется актуальным и перспективным изучение механизмов инактивации микроорганизмов под воздействием микросолей естественного происхождения

Во второй главе приведено математическое моделирование процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермоо&ьекта для инактивации микроорганизмов

Для создания математической модели необходимо провести определение механизмов инактивации микроорганизмов под воздействием воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»

Таблица 1 Некоторые методы обеззараживания воздушной среды

Название метода Физическая (или химическая) сущность метода Результаты воздействия Недостатки

Ультрафиолетовое излучение Электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона с длиной волны 205-315нм Действие на различные структуры микроорганизма Действие на разные виды микробиологических групп Наиболее чувствительны вирусы и бактерии в вегетативной форме Зависимость от длины волны, интенсивности облучения, времени воздействия, состояния воздушной среды помещения и т д Возможность загрязнения окружающей среды помещения парами ртути, выход УФИ, озона

Озонирование Мощный окислитель Проникает внутрь микробной клетки Действие на разные виды микробиологических групп Наиболее чувствительны капсулированные вирусы, наиболее устойчивы микробы, покрытые оболочкой Зависимость от концентрации, экспозиции, температуры, влажности, вида микроорганизма рН и исходной обсемененности воздуха Токсическое действие на организм человека

Ионизация Заряжение (или перезаряжение) пыли и микрофлоры и осаждение их на специальных электродах установки и поверхностях в помещении В процессе ионизации воздуха не происходит инактивации микроорганизмов и вирусов Зависимость от влажности, запыленности воздуха физических параметров воздуха Неравномерное распределение аэроионов в замкнутом воздушном объеме Выход УФИ, озона, генерирование окислов азота Воздействие на электроприборы и бытовую технику

Ультразвук Действие основано на УЗ-кавитации Механическое разрушение микроорганизмов Действует как на бактерии, так и на грибы Зависимость от интенсивности звуковых колебаний

Поверхностная модификация материалов Оказывает бактерицидное воздействие на условно-патогенную микрофлору Эффективная и пролонгированная защита от развития бактерий и грибов

Соли естественного происхождения Ионизация воздуха под действием микросолей КС) Оказывает действие в большей степени на грибы, чем на бактерии Малоизученность метода и средств

Для этого были рассмотрены основные характеристики минерала, используемого в качестве соляного компаунда в приборе «Галоингалятор», а именно сильвинитовая горная порода, входящая в состав калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения Калийная соль (сильвин) содержит NaCI - 51,6-77,2%, KCl - 19,7-42,0%, MgCl, CaS04, и в виде примесей, большинство жизненнонеобходимых элементов (Fe, Br, Mn, Sr, В , Ti, а также др элементы табл Менделеева)

Для улучшения функциональных возможностей прибора рассмотрена возможность применения в качестве соляного наполнителя природной соли Древнего Пермского моря «Ахиллес», представляющую собой уникальную смесь природных минералов высокой чистоты - галита (NaCI) и карналлита (MgCl2 KCl 6Н2О) Верхнекамского месторождения

Механизм аэроионизации воздуха под действием микросолей KCl происходит следующим образом

Природный калий представлен тремя изотопами двумя стабильными (39Ki<j и 42Кю) и радиоактивным 40Кн), составляющим 0,0118% от всего калия

Изотоп 40Ki9 неустойчив При первом типе распада, который происходит с 88% атомов данного изотопа, 40Ki9 превращается в 40Са2о (кальций), испуская при этом ß-частицу Эта частица ни что иное, как электрон с энергией 0,54 МэВ ^„-"Оьо+е-

Эманированные ß-частицы (электроны) присоединяются к внешним оболочкам атомов и молекул воздуха и образуют отрицательно заряженные аэроионы на всем пути свободного пробега Длина пробега электрона в воздухе до 1,7 м

Второй тип распада претерпевают 12% атомов изотопа 40К19 Они трансформируются в нестабильный 40 Arm (аргон), ядро которого переходя в стабильное состояние образует у-квант с энергией 1,45 МэВ 40Ki9 + е~ —>40 Arie +hv

у-частица обладает довольно значительной проникающей способностью, однако она гораздо ниже, чем энергия у-излучения на следе облака ядерного взрыва, поэтому такое излучение радиофизики условно классифицируют как «мягкое» у- излучение Период полураспада 40KW составляет 1,32x10' лет

Таким образом, аэрозоль, продуцируемый прибором «Галоингалятор» обогащен отрицательно заряженными ионами

Распределение аэроионов в незагрязненном атмосферном воздухе при работе прибора «Галоингалятор» для различных видов материала, используемого в качестве соляного наполнителя, представлено на рисунках 2 и 3 Исследование проводили с использованием измерителя концентрации аэроионов «Сапфир ЗК» (Россия)

лег Оф. 'гаж отр лег.пол таж.пол. И пер вы й реж кн 1" еторой рслпу

В трети режим н четвертый режим

Рисунок 2 Распределение аэроионов при Рисунок 3 Распределение афоионов при загрузке прибора природным минералом загрузке прибора морской солью «Ахиллес» «сильвинит» (второй режим)

Механизм инактивации микроорганизмов в воздушной среде, продуцируемой прибором «1 алонигалятор», происходит за счет воздействия на них ионизации, происходящей при естественной радиации изотопа калия С10^,,,). На основании анализа физических и химических характеристик различных материалов фильтра на сытите ля выбрана в качестве соляного компаунда обладающая наиболее выраженным ионизирующим эффектом морская соль «Ахиллес».

При создании математической модели продуцирования микросолей КС1 для обеззараживания воздушной среды был введен ряд допущений;

- расчет производится для гермозамкн\того помещения;

- за один цикл работы через прибор проходит йесь ваддух, Содержащийся в гермообъемс,

- объем помещения 20м3;

- в качестве тест-культуры выбраны грибы вида РешсШшт ехраточт, остальными видами гриб^б, находящихся в гермономещении пренебрегаем;

- объем соляного компаунда органичен габаритными размерами лотка для активного материала;

- масса соляного компаунда, в процессе продуцирования микросолей, постоянна.

Гибель микроорганизмов в воздушной среде гермообьекта происходит за счет их

взаимодействия с солями КС) в воздухе и приборе, а таюке за счет адсорбции в слое пористого материала фильтра-наполнителя.

Изменение количества микроорганизмов в объеме с1Уа за время Л

6С ,,

--£-аУ -ш, (1)

Ы

где С- концентрация микроорганизмов, КОЕ/м3, е- пористость материала, Кг объем соляного компаунда в аппарате, м3, время обеззараживания, мин

Микроорганизмы, находящиеся в потоке воздуха могут закрепляться (адсорбироваться) на поверхности пор Тогда, разность входящего и выходящего количества микроорганизмов в объеме йУа за время Л за счет явления адсорбции

V ЗС „г ,,

----£-йУ -Ш, (2)

£ дх

где V- средняя скорость потока воздуха, м/мин

Скорость переноса микроорганизмов в слое пористого материала оказывается

V

меньше, чем средняя скорость потока воздуха V , — — и называется скоростью фильтрации

Ф £

Количество уничтоженных микроорганизмов в объеме прибора (1Уа за время Л за счет взаимодействия с солью КС1

б>а-е1Уа-еЬ, (3)

где ш„- удельная скорость гибели микроорганизмов в аппарате за счет взаимодействия с солью КС1, КОЕ/м3мин

Общее количество уничтоженных микроорганизмов в приборе

дС дС А

--£ + У---СО =0, (4)

дt дх а

Начальные и граничные условия С(дг,0) = С^

(К) =с И =С • (5)

Решение дифференциального уравнения в частных производных (4) с учетом начальных и граничных условий (5), имеет вид

= -С )+а> , (6)

<¡1 I еых а

где /- высота слоя соляного компаунда в приборе, м

Скорость гибели микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КС1

дСйых Л О

находим из условий стационарного режима (т е -= и ) и с учетом того, что V = —

ы ^

И К I

СО =£-(С -С ), (7)

а у 4 вх вых/ а

где <2 -расход воздуха через аппарат, м7мин, К- площадь соляного компаунда в приборе, м2

Количество уничтоженных микроорганизмов в воздушной среде гермообъема за счет взаимодействия с солью КС!

СО (IV (8)

го го к '

где (ого- удельная скорость гибели микроорганизмов в воздушной среде гермообъекта за счет взаимодействия с солью КС1, КОЕ/м3мин, Уг„- объем гермообъекта, м3

Формула для анализа зависимости скорости уничтожения микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КС1 от высоты слоя соляного компаунда формула (7) представлена в виде

а> =-£--(С -С ), (9)

а р11 вых/

Начальными данными для созданной математической модели являются экспериментальные величины, полученные в ходе исследования по обеззараживания воздушной среды гермообъекта

В результате моделирования для конкретных начальных и граничных условий были получены зависимости

-скорости гибели микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КС1 от высоты слоя соляного компаунда (рисунок 4),

-скорости гибели микроорганизмов в приборе от высоты слоя соляного компаунда для различных режимов подачи воздушного потока (рисунок 5),

-скорости уничтожения микроорганизмов в воздушной среде за счет взаимодействия с солью КС1 от времени (рисунок 6)

КОЕ/мЗмин

—расчетные значения *— экспериментальные данные

Рисунок 4 Скорость гибели микроорганизмов в приборе в зависимости от высоты слоя соляного компаунда

КОЕ/мЗмин

Рисунок 5 Скорость гибели микроорганизмов в приборе в зависимости от высоты слоя соляного компаунда для различных режимов подачи воздушного потока

КОЕ/мЗмин

О 60 120 180 240 300 360

—расчетные значения —— экспериментальные данные мин

Рисунок 6 Скорость гибели микроорганизмов в воздушной среде за счет взаимодействия к солью КС1 в зависимости от времени

Используя описанную модель, была рассчитана зависимость количества уничтожаемых микроорганизмов во времени Результаты расчета и сопоставленных экспериментальных данных представлены на рисунке 7 Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием корреляционного анализа Пирсона

КОЕ/мЗ

-расчетные значения — экспериментальные данные мин

Рисунок 7 Динамика концентрации микроорганизмов в гермообъеме Сравнение экспериментальных и расчетных значений

Выражение, используемое для математического моделирования, является упрощенным, так как учитывает не все факторы, которые возникают при воздействии микросолей естественного происхождения на находящиеся в воздухе микроорганизмы Тем не менее, на рисунке 7 видно, что расчеты, проведенные по этой формуле, достаточно четко

согласуются с экспериментальными данными Для выбранных и обоснованных начальных и граничных условий точность составляет не менее 90%

Разработанная теоретическая модель дает возможность прогнозировать динамику концентрации микроорганизмов в воздушной среде гермообъема

В третьей главе приведены результаты лабораторных и экспериментальных исследований по воздействию воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»

В результате проведенных лабораторных исследований были определены основные характеристики воздушной среды, продуцируемой прибором с наполнителем фильтра солью «сильвинит»

Массовая концентрация аэрозоля находится в пределах 1,9-3,9мг/м3 и зависит от режима подачи воздушного потока

Определение фракционно-дисперсного состава показало, что основная часть аэрозоля (до 97%) имела размеры 1 мкм и менее Более крупные частицы составляли незначительное количество

Содержание катионов и анионов в воздухе, который выходит из аппарата, не превышает 10'4% При пропускании воздуха через аппарат некоторое количество фосфатов и нитратов находятся в виде аэрозолей, в то время как хлориды и сульфаты в виде летучих соединений, твердыми частицами могут быть соли кальция и магния

В результате определения спектрального распределения аэроионов незагрязненного атмосферного воздуха установлено, что концентрация отрицательно заряженных аэроионов зависит от режима подачи воздушного потока и составляет 600-3500 ионов в см3 При загрузке прибора морской солью «Ахиллес» концентрация отрицательно заряженных аэроионов составляла 3000-3400 ионов в см3 при втором режиме подачи воздушного потока Был проведен ряд исследований для оценки эффективности обеззараживания воздушной среды гермообъекта

Для оценки эффективности антимикробного действия прибора «Галоингалятор» выбраны тест - культуры бактерий и грибов, выделенные из среды обитания МКС, для которых была характерна высокая обсемененность и частота обнаружения Bacillus cereus, Aspergillus versicolor [Новикова H Д, Дешевая Е А , Поликарпов Н А, 2006г ] Исследования проводили при исходном нормальном содержании бактерий и грибов, и превышающем нормативный показатель для МКС в двух сериях опытов при загрузке прибора двумя способами кристаллами природного минерала «сильвинит» и морской солью «Ахиллес»

В результате установлена высокая эффективность обеззараживания воздуха при использовании галоингалятора как от вегетативных представителей бактериальной флоры,

так и от спор бактерий и микромннетов, Эффективность очистки воздуха за 6 часов работы прибора составляла:

при загрузке природным минералом «сильвинит» (рисунок 8):

- в лабораторном помещении для бактерий - 98,75%, для грибов - 100%,

в термокамере соответственно 99,67% и 97,85%;

при загрузке морской солью «Ахиллес» (рисунок 9):

-в лабораторном помещении для бактерий - 98.5%, для грибов - 95,7%,

в термокамере соответственно 99,9% и 98,8%.

§

Содержание бактерий и воздухе л абор атор него помещен»я

(фон)

ВВ.ритНиБ О ер ¡<)егт сс!

4 б время воздействия галоингалятора (часы)

Содержанке грибов в воздухе лабораторного помещен!«

(фон)

□ РешсШшт ехрадоит В Л5рег£Шиз О ЛБрегдИиз 5р

время воздействия галокнгалятора (часы)

С

Я А^рсг^Пи* \гсг51Со1ог □ РсшсМит 5р. □ТпсЬойегтазр

время воздействия галокнгалятора (часы)

Рисунок 8 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе при загрузке прибора природным минералом «сильвинит»,

Результаты исследования по очистке воздушной среды гермообъекта с целью уменьшения грибковых и бактериальных образований, проводимого в реальном модельном эксперименте с участием 4-х испытателей на базе НЭК ГНЦ РФ-ИМБГ1 РАН показали, что воздушная среда, продуцируемая прибором «Галоишалятор», позволяет снижать уровни микробной обсемененности воздушной среды и поддерживать их в пределах величин, регламентированных для Международной космической станции в период полета (55Р 50260

Содержание бактерий в воздухе термокамеры 3300

0К - '

(фон) 2 4 6

время воздействия галоингалятор а (часы)

Содержание грибов 8 воздухе термокамеры

(фон) Юмин 2 4 6

MORD). Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе экспериментального модуля представлена на рисунке 10,

Содержание бактерий и воздухе лабораторного помещения

зооо 2500 2000 1Ш 1000 500

(фон) 2 S Slapfvyfococcus epidermidk ■ М itTococces luteus □ Bacillus subUtis

Содержание грибов в воздузве лабораторного помещения

(фон)

■ Aspergillus nig^r

I Ofenkitliumsp

время воздействия

"ал о их I алятора (часы)

время воздействия

гапоингалягора (часы)

(фок) ¡Омин 2

время воздействия гало ингалятор а (часы)

Содержание грибов в воздухе гермокямеры

•J0O ноо 70(1 ыю 5t* 1 .:< tu Л0П 200 НЙ1 0

у

/ j

X

У , £ -----I

✓ -

/

1 & & & 7

(фон) 10 чин 2

Н Aspergillus versterbt ■ l'onicEHium sp.

время воздействия гяп оннз я ля гпр я {часы)

Рисунок 9 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе при загрузке прибора морской солью «Ахиллес».

□ санитар но- гиг кен ическая зона су тк и экспер нчс ига

□ зона обеденного стола ■ основная рабочая зона

Ö санитарно-гигиеническая зона су чки эксперимента Q обеденного стола Щосновная рабочая зона

Рисунок 10 Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе экспериментального модуля.

Содержание бахтер ий в воз чу .че г ер *ю камер ы

К KICK К) 25(Ш№ 2000000 ДОлмДО

14КИНКК1

500000 (I

Далее в третьей главе диссертации представлены результаты медицинских клинических испытаний влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Гайоингалятор», на организм человека.

Проведен наземный медицинский эксперимент по апробации прибора «Галоингалятор», с целью анализа теоретически обоснованного предположения об активации иммунной системы человека и предварительного обоснования выбора физиологических состояний пациента, подлежащие коррекции. Исследование проходили в медицинском центре на базе санатория-профилактория Московского авиационного института (ГТУ). Методика лечения состояла из 10 сеансов гадотерании продолжительностью по 20 мин. Для обследования были отобраны 70 испытателей со следующей патологий; вегето-сос уд истая диетония, гастрит, анемия, гепатита А (в анамнезе). В результате исследования у испытуемых с пониженным содержанием гемоглобина в крови прослеживается тенденция к нормализации указанного биохимического параметра крови (рисунок 11). Наиболее достоверные результаты выявлены у испытуемых с алиментарной анемией после 10 процедур галотерапии. У испытуемых, имеющих отклонения в биохимических параметрах, относящихся к функции печени, достоверно выявлена нормализация гамма-глутамилтраншептидазы (Г1Т) (рисунок 12).

Гачча-миотамилтр анегтяп к&аза

кат-во процедур

ПО ЕЮ-{ЛСнСт1!Я

Гемогло&ии

кол-во проищу р

Рисунок II Динамика содержания Рисунок 12 Динамика гамма-гемоглобина в зависимости от количества глутамилтранспептидазы у пациентов с галопроцедур болезнью Боткина

Оценивалась эффективности применения прибора «Галоингалятор» при лечении и профилактике респираторных заболеваний и при функциональном снижении гемоглобина крови. Исследование проводили совместно с Главным Военным Клиническим Госпиталем В В МВД России Для проведения исследования были отобраны 2 основные группы пациентов: первая группа - пациенты с хроническим бронхитом к стадии ремиссии (ХБ), вторая группа - пациенты с функциональным снижением гемоглобина крови ( АН), У каждой

была Группа котроля с тем же диагнозом, что и у обследуемых групп, но не проходившая курс галотерапии, Основные фуппы были разделены на две подгруппы, для каждой из которой использовался свой физический вид наполнителя фильтра. Для подгруппы I использовался дробленый природный минерал «сильвинит». Для подгруппы 2 использовалась морская соль «Ахиллес». Методика лечения для основных двух групп состояла из 10 сеансов талотерании продолжительностью по 15 мин. Эффективность применения галоингалятора оценивали по изменению показателей лабораторно-инструментальных исследовании. Результаты исследования показали, что применение прибора «Галошиалятор» проводит к снижению количества бахтерий и элиминированию со слизистых оболочек носоглотки условно - патогенных штаммов Staphylococcus aureus (рисунок 13), снижает активность воспалительного процесса, улучшает показатели функции внешнего дыхания (таблица 2), что оказывает стимулирующее воздействие на резистентность организма. Нормализация содержания гемоглобина в крови (рисунок 14) и улучшение микроциркуляции кровотока (таблица 3) имеют большое значение для космонавтов, находящихся в экстремальных условиях космического полета.

Рисунок 13 Динамика содержания общей Рисунок 14 Динамика содержания

микробной обсеменешюсти слизистых гемоглобина в основных группах оболочек носоглотки

Результаты биохимических показателей крови представлены на рисунке 15, Исследования биохимических показателей функции печени доказывают, что природный минерал «сильвинит» и морская соль «Ахиллес», применяемые н качестве соленого наполнителя, не оказывают отрииателы го го воздействия на организм человека (рисунок 16).

Результаты исследования энергетического состояния головного мозга методом измерения уровня постоянного потенциала (УПП) представлены в таблице 4.

ХЕ) ХБ2 ХЫмтер)

Ифон S14 су тки группы пациентов

Общая микроокая ооссмо*сшеосгъ носоглотки 120

| фон

Гемоглсбнн

ХБ! ХБ2 □ 14 сутки

группы пшиеггтов

Таблица 2 Параметры функции внешнего дыхания у пациентов основной группы с хроническим бронхитом (Mim)

-----___ Группы пациентов Параметры --___ ХБ1,п=7 ХБ2, п=6

абсолют относит, % абсолют относит, %

Форсированная жизненная емкость легких, л фон 2,73+0,29 88+7 4,40+0,12 83±3

14 сутки 2,81+0,38 95±2 4,29±0,26 81±4

Максимальная объемная скорость к точке 75, л/с фон 5,53+0,14 101+5 7,58+1,16 88+13

14 сутки 5,24±0,22 96+7 7,23+0,76 84±9

Максимальная объемная скорость к точке 50, л/с фон 3,98+0,46 104+10 6,67+0,98 166+16

14 сутки 3,48+0,46 90±9 6,32+0,48 110+8

Максимальная объемная скорость к точке 25, л/с фон 1,65±0,38 106+17 4,85+0,47 176+16

14 сутки 1,56+0,22 103±12 4,16+0,30 151+10

Индекс Тиффно, % фон 0,89+0,11 112±13 0,93±0,05 111±5

14 сутки 0,75±0,08 96+10 0,85+0,04 102±4

Жизненная емкость легких, л фон 3,04±0,51 94+9 4,21+0,25 77+4

14 сутки 3,25+0^2 102+5 4,68+0,18 85±3

Таблица 3 Динамика параметров мшроциркуляторного русла (М±т)

—-—Группы пациентов Параметры " — ХБ1 п=7 ХБ2 п=6 АН1 п=7 АН2 п=6

Линейная скорость Vas, см/с фон 0,59±0,09 0,40+0,07 0,49+0,06 0,43+0,07

14 сутки 0,68+0,05 0,83+0,14* 0,49±0,08 0,95±0,11"

Линейная скорость Vam, см/с фон 0,07+0,02 0,03+0,01 0,04+0,01 0,03+0,01

14 сутки 0,10+0,01 0,12+0,02** 0,06±0,02 0,02+0,03*

Линейная скорость Vd, см/с фон 0,98+0,19 1,24±0,12 1Д1±0,18 1,21+0,09

14 сутки 0,66+0,11 0,45±0,04** 0,71±0,16 0,47+0,04**

Объемная скорость Qas, мл/мин фон 0,27±0,04 0,19+0,03 0,23+0,03 0,20+0,03

14 сутки 034±0,03 0,39+0,07* 0,26+0,04 0,45+0,05**

Объемная скорость Qam, мл/мин фон 0,03±0,01 0,02±0,01 0,02±0,01 0,01+0,01

14 сутки 0,05+0,01 0,06+0,01** 0,03+0,01 0,06+0,01*

* р<0,05 ** р<0,01

23

Рисунок 15 Динамика содержания Рисунок 16 Динамика содержания

креатинфосфокиназы. билирубина.

Таблица 4 Значения уровня постоянного потенциала головного мозга (М- т)

—Группы пациентов ХБ1 ХБ2 AHI А N2

Значения УПП. мВ п=7 л=6 п=7 п=6

Лобный отдел (Рг) фон 15.0±5,7 17,9+7,5 9.6+6,4 16,6+8,0

14 сутки 16,2+9,4 12,4+7,5 16,1 + 11,0 9,5+5,7

Центральный отдел (Сг) фон 13.215,6 13,5±8,2 12,3+9,1 12,2+7,9

14 сутки 8,6±7,9 9,9+3,1 8,9+8.6 8,3+3,1

Затылочный отдел (Ох) фон 15,6+7,6 14,4+8,3 9,5±7,7 14,9+6,9

!4 сутки 14,7+8,6 1 ),7±7,0 9,8± 12,4 10,6+6,1

Правый височный отдел П'с!) фон 12,8+8,4 10,6±7,8 10,9+4,8 10,6+6,0

14 сутки 8,8+8,5 9,9+5,8 9,3 ±6,2 9,7+5,8

Левый височный отдел (Тк) фон 11,4±7,3 ll,2±4j5 17,0+9,3 9,2+4,1

14 сутки 11,1 ±7,7 9,4+5,2 14^+8,6 8,2±5,9

По результатам исследования прибор «Галоингалятор» внедрен в практику физиотерапевтическою отделения ГВКГ ВВ МВД России

В четвертой главе представлены перспективы дальнейшего использования прибора «Галоши алятор» для улучшения качества воздушной среды гермообъекгов, в том числе для использования на борту орбитального пилотируемого космического объекта и при полете на Марс.

Искусственно созданные условия среды обитания пилотируемого космического объекта относятся к экстремальным факторам космического полета и непосредственно скачаны с обеспечением безопасности экипажа. Поэтому ключевым элементом для создания комфортных и безопасных условий пребывания членов экипажей в пилотируемом

космическом аппарате является повышение качества окружающей среды (среды обитания пилотируемого космического объекта) Комплекс систем обеспечения газового состава позволяет формировать и поддерживать необходимые условия среды обитания на орбитальной станции Тем не менее, результаты мониторинга среды обитания свидетельствуют о необходимости совершенствования методов и средств улучшения качества воздуха на космическом аппарате

Согласно критериям, выработанным Всемирной Организацией Здравоохранения, качество среды обитания (совокупность объектов, явлений и факторов окружающей среды) определяет качество жизни человека Человек как биологический объект зависим от физических факторов среды Поэтому качество воздушной среды помещений имеет большое значение для здоровья человека

Качественная среда обитания пилотируемого космического объекта должна обеспечить экологически эффективные и физиологически благоприятные условия для длительного пребывания людей, что позволит снизить экстремальный характер воздействующих на человека факторов космического полета и тем самым минимизировать потенциальную угрозу его здоровью При этом необходимо использовать методы управления качеством в соответствии со стандартами ИСО (ISO - «International Organization for Standardization» (Международная организация стандартизации)) Управление качеством жизни необходимо рассматривать как системную целостность, включающую в себя управление основными составляющими системы качества (рисунок 17)

Поскольку качество жизни - многофакторное понятие, для его оценки важно учесть все составляющие В качестве одной из формул, учитывающих все показатели можно привести следующую

1(0,)™

Qm =_-а---(

j-1 i=l

где (О.Г- относительный текущий показатель количественной характеристики первого рода, %,

п - число показателей по характеристикам первого рода,

(Qj)mm - относительный текущий показатель количественной характеристики второго рода, т - число показателей второго рода, %,

(Qi)mm - текущая величина относительного отклонения от нормы стандарта показателя качества составляющей количественной характеристики второго рода, %, L - число показателей качества, ограниченных нормами стандартов

Рисунок 17 Основополагающие критерии качества жизни космонавта

Таким образом, при решении комплекса задач по управлению качеством среды обитания человека в гермозамкнутом объеме, (что является важной составляющей при оценке риска для здоровья космонавта) необходимо оценивать все физические факторы, характеризующие состояние искусственной среды обитания

Следуя концепции качества жизни, включающей в себя качество окружающей среды, для гармоничного развития человека и техносферы необходимо создание и поддержание условий среды обитания аналогичных биопозитивным биосферным условиям

Анализируя характеристики биологически позитивных природных мест можно сделать вывод, что к таким местам относятся подземные калийно-магниевые пещеры, так как в качестве одного из биопозитивных факторов воздушной среды выступает характеризующая их высокая объемная концентрация легких аэроионов и низкая микробная обсемененность

На борту орбитальной станции воздух проходя многократные циклы регенерации и очистки, сохраняет свои основные «макроскопические» свойства, но теряет некоторые абсолютно необходимые для поддержания нормальной жизнедеятельности человека микропримеси, к которым, в первую очередь, относятся заряженные частицы - аэроионы

В управлении качеством воздушной среды особое место занимает требование по обеспечению необходимого ионного состава воздуха гермообъекта Регулирование ионного состава воздушной среды гермообъекта позволит обеспечить создание воздушной среды высокого качества и, как следствие, создать оптимальные условия работы и жизнедеятельности космонавта

Для управления ионным составом воздушной среды возможно применение микросолей естественного происхождения КС(, продуцируемых прибором «Галоингалятор», при использовании которых ионизация происходит под воздействием естественного природного (то есть биосферного) радиоактивного источника Использование прибора в гермообектах может способствовать, с одной стороны формированию биопозитивной для человека воздушной среды, содержащей полезные отрицательные аэроионы (что в свою очередь окажет положительное влияние на психологическое состояние космонавта), а с другой стороны будет оказывать подавляющее действие на рост и размножение микроорганизмов

Таким образом, в экстремальных условиях космического полета, когда нет возможности дышать биологически позитивным для человека воздухом использование прибора «Галоингалятор», способного создавать и поддерживать качественный аэроионный состав газовой среды, позволит улучшить качество окружающей среды, и как следствие, повысить качество жизни космонавта

Данный прибор может быть использован при разработке перспективных систем обеспечения газовой среды в замкнутых объемах, в качестве аппаратуры для аэроионизации воздуха и контроля концентрации аэроионов в воздушной среде на длительно функционирующих пилотируемых космических объектах, в том числе и для межпланетного полета на Марс

Специфичными факторами пилотируемого межпланетного полета, и в частности полета на Марс, является автономность существования экипажа и длительность марсианской

экспедиции Поэтому управление качеством окружающей среды при межпланетных полетах играет особо важную роль

Существует только один путь создания вне биосферы Земли функционального аналога природной среды обитания человека- использование биологических биосферных механизмов в форме замкнутых экологических систем жизнеобеспечения, где человек будет обязательной функциональной частью системы

Так как целиком воспроизвести биологическую СЖО в условиях полета на Марс не представляется возможным, было предложено в регенерируемую среду гермообъекта добавить ионные составляющие, вырабатываемые на земле и являющиеся безусловным фактором «настоящей» земной атмосферы А именно, ввести в контур очистки и регенерации воздуха СЖО разработанный прибор «Галоингалятор» коллективного пользования с фильтром из калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения Применение прибора «Галоингалятор» в тракте очистки и регенерации атмосферного воздуха позволит решить актуальную медико-техническую задачу космических полетов

Разработанный прибор будет испытан в наземном эксперименте, моделирующем пилотируемый полет на Марс «Марс-500»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования посвящены актуальному вопросу создания аэроионного состава воздушной среды для деконтаминации микроорганизмов в герметичных обитаемых объектах под воздействием микросолей естественного происхождения Применение прибора «Галоингалятор» в системе обеспечения жизнедеятельности гермообъекта позволит обеспечить необходимый уровень микробиологической чистоты и как результат улучшить качество воздушной среды обитаемых отсеков космических аппаратов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты исследований'

1 Сравнительный анализ современных методов и средств обеззараживания воздуха показал, что существующие методы имеют ограничения и противопоказания для использования в присутствии людей (озон и окислы азота, повышенная неконтролируемая ионизация, выход УФИ) Дезинфекционные мероприятия, применяемые в ходе предполетной подготовки, не обеспечивают необходимую степень биологической чистоты (для бактерий -500 КОЕ на 100 см 2 и для грибов - 10 КОЕ на 100 см2), что связано с невозможностью

обработки труднодоступных зон и полного ограничения попадания микроорганизмов в объект

2 Результаты исследования антимикробного действия прибора «Галоингалятор» на тест - культуры бактерий и грибов, выделенных из среды обитания Международной космической станции, показали, что 6-часовая непрерывная работа установки обеспечивает

• при загрузке природным минералом «сильвинит»- 98,75%- ную гибель бактерий и 100%- ную гибель грибов, при их исходной естественной концентрации в гермопомещении, 99,67%- ную гибель бактерий и 97,85%- ную гибель грибов, при их исходной концентрации, превышающей нормативный показатель,

• при загрузке морской солью «Ахиллес»- 98,5%-ную гибель бактерий и - 95,7%-ную гибель грибов, при их исходной естественной концентрации в гермопомещении, 99,9%- ную гибель бактерий и 98,8%- ную гибель грибов, при их исходной концентрации, превышающей нормативный показатель

3 Результаты исследования с участием четырех испытателей в герметичном замкнутом объекте объемом 100м3, подтвердили четко выраженное действие прибора «Галоингалятор» по очистке воздуха от бактерий (более 75%) и фрагментов грибов (100%)

4 Результаты, полученные в серии медицинских экспериментов, выявили

• снижение количества бактерий (на 32±15,8%' (80,1±6,8%2)) и элиминирование со слизистых оболочек носоглотки условно - патогенных штаммов Staphylococcus aureus,

• рост содержания гемоглобина в крови на 3-5±1%' (2-6±1%2),

• улучшение микроциркуляции кровотока (увеличение линейной скорости на 13-16±4%1 (в 2,1 раза2), объемной скорости на 12-27±5%' (в 2,3 раза2),

• тенденцию к улучшению показателей функции внешнего дыхания (увеличение абсолютных и относительных значений ЖЕЛ на 8±5%' (8±3%2), ФЖЕЛ на 7±3%\ улучшении относительных значений ИТ на 8±4%' (9±4%2)),

• уменьшение интенсивности хронического воспаления в организме у больных хроническим бронхитом (снижение количества лейкоцитов на 5-13±1%1, папочкоядерных нейтрофилов на

• нормализацию исходно повышенных биохимических показателей крови (для КФК- 45—64±5%' (42—65±10%2), для билирубина- 46-48±10%' (44-45±10%2)),

что доказывает стимулирующее воздействие воздушной среды, продуцируемой «Галоингалятором», на резистентность организма Показано, что природный минерал

' при загрузке прибора природным минералом «сильвинит»

2 при загрузке морской солью «Ахиллес»

«сильвинит» и морская соль «Ахиллес», применяемые в качестве соленого наполнителя, не оказывают отрицательного воздействия на организм человека.

5 Прибор «Галоингалятор» внедрен в практику лечения и профилактики пациентов физиотерапевтического отделения ГВКГ ВВ МВД России

Выводы:

1 Разработана математическая модель, позволяющая выбрать оптимальные технические характеристики прибора для обеззараживания воздушной среды режим подачи воздушного потока соответствующий расходу 1м3/с, высота насыпного слоя соляного компаунда - 8 см Для выбранных и обоснованных начальных и граничных условий точность не менее 90%.

2 Доказано и экспериментально подтверждено, что для использования в качестве соляного компаунда наиболее целесообразно применение морской соли «Ахиллес»

3 Доказано, что механизм инактивации микроорганизмов в воздушной среде, продуцируемой прибором «Галоингалятор», происходит за счет воздействия на них ионизации, происходящей при естественной радиации изотопа калия (40Ki9) Содержание отрицательно заряженных аэроионов в незагрязненном атмосферном воздухе, при загрузке прибора морской солью «Ахиллес» составляет 3000-3400 ионов в см3, при загрузке природным минералом «сильвинит» - 1700-2100 ионов в см3, при расходе воздуха 1м3/мин

4 Установлено эффективное антимикробное действие прибора «Галоингалятор» на вегетативные представители бактериальной флоры и на споры бактерий и микромицетов 6-часовая непрерывная работа установки обеспечивает 98,8-99,9%-ную гибель микроорганизмов в воздухе гермообъекта при искусственно созданной исходной микробной нагрузке (в 2-3,5 раза) превышающей регламентируемые значения

5 Показано на основе результатов круглосуточной непрерывной работы прибора «Галоингалятор» в гермообъекте объемом 100м3 с участием четырех испытателей, что его применение обеспечивает снижение и поддержание уровней микробной обсемененности в пределах регламентированных для Международной космической станции показателей в соответствии с SSP 50260 MORD

6 Применение прибора «Галоингалятор» с обоснованными и подтвержденными режимами функционирования для продуцирования микросолей естественного происхождения при создании качественной воздушной среды в обитаемых гермообъектах приведет к повышению безопасности жизнедеятельности человека в пилотируемом космическом полете

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Аргунова А М, Строганова Л Б Качество воздушной среды гермообъектов// Материалы конференции «Авиация и космонавтика» - Москва, 2006 г - с 317,

2 Аргунова АМ Качество воздушной среды гермообъектов// Альманах «Качество и жизнь» - Москва, 2007г -с 56-59,

3 Аргунова АМ Использование прибора «Галоингалятор» при очистке воздушной среды гермообъекта для уменьшения грибковых и бактериальных образований// Материалы V конференции молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики - Москва, 2006г - с 6-7,

4 Аргунова АМ Корригирующее влияние микросолей естественного происхождения на людей с респрираторными заболеваниями и анемией// Материалы VI конференции молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики - Москва, 2007 г - с 11-12,

5 Аргунова А М, Строганова Л Б, Оделевский В К Возможности использования «Галоингалятора» для улучшения экологической обстановки на длительно функционирующих пилотируемых космических объектах// Материалы ХШ конференции по космической биологии и авиакосмической медицине - Москва, 2006 г -с 20-21,

6 Аргунова А М, Соловьева 3 О, Скедина М А, Верулашвшш Л А, Ильин В К, Юсупов ИЕ Влияние микросолей естественного происхождения на организм человека// Сборник статей научно-практической конференции «Космос и медицина» -Москва, 2007г -с 24-27

Подписано в печать 30 08 2007 г Исполнено 30 08 2007 г Печать трафаретная

Заказ №651 Тираж 50экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 тго? аиШгеГега! го

Перечень сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГЕРМООБЪЕКТОВ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА.

1.1. Особенности воздушной среды гермообъектов с точки зрения микробиологической обсемененности.

1.1.1. Характеристика микробного сообщества орбитальных станций.

1.1.2. Система мероприятий по обеспечению микробиологической безопасности на борту космических объектов.

1.1.3. Основные источники формирования микроэкосферы кабин пилотируемых космических объектов.

1.1.4. Особенности эволюции микробного сообщества, связанные с условиями космоса.

1.2. Современные методы и средства обеззараживания воздуха.

1.2.1. УФ обеззараживание воздуха.

1.2.2 Ионизация воздуха.

1.2.3. Озонирование.

1.2.4. Ультразвук.

1.2.5. Метод поверхностной модификации материалов.

1.2.6. Перспективный метод обеззараживания воздуха на основе микросолей естественного происхождения.

1.3. Постановка задачи.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ИНАКТИВАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОДУЦИРОВАНИЯ МИКРОСОЛЕЙ ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ВОЗДУШНУЮ СРЕДУ ГЕРМООБЪЕКТА.

2.1. Начальные условия для создания математической модели.

2.1.1. Характеристики калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения.

2.1.2. Механизм аэроионизации воздуха под действием микросолей КС1.

2.1.3. Отрицательные аэроионы и супероксидный радикал 02*".

2.1.4. Влияние АФК на микроорганизмы.

2.2. Математическая модель обеззараживания воздуха под действием микросолей КС1..------------—.—.—.—.-------------------.

2.2.1. Зависимость скорости уничтожения микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КС1 от высоты слоя соляного компаунда.

2.2.2. Скорость уничтожения микроорганизмов в воздушной среде за счет взаимодействия с солью КС1 в зависимости от времени.

2.3. Сравнение расчетных и экспериментальных значений.

3. НАЗЕМНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Лабораторные исследования.

3.1.1 Технические характеристики прибора «Галоингалятор» и определение состава фильтра-наполнителя.

3.1.2 Основные характеристики воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор».

3.2. Исследования по очистке воздушной среды гермообъекта.

3.2.1. Наземный эксперимент по апробации прибора «Галоингалятор» по очистке воздушной среды гермообъекта с целью уменьшения грибковых и бактериальных образований («Воздух и комфорт»).

3.2.2. Исследование по определению эффективности воздействия воздушного потока, создаваемого прибором «Галоингалятор», на микроорганизмы, обнаруживаемые на борту пилотируемых космических аппаратов.

3.3. Исследования по воздействию микросолей естественного происхождения на организм человека.

3.3.1. Наземный медицинский эксперимент по апробации прибора «Галоингалятор».

3.3.2. Исследование по оценке эффективности применения прибора «Галоингалятор» при лечении и профилактике респираторных заболеваний и при функциональном снижении гемоглобина крови.

4. ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ И СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГЕРМООБЪЕКТОВ.

4.1. Качество воздушной среды пилотируемого космического объекта.

4.1.1. Основы формирования качественной окружающей среды.

4.1.2. Анализ и характеристика биопозитивных природных мест.

4.2. Управление качеством среды обитания.

4.3. Качество воздушной среды длительно действующих обитаемых межпланетных космических объектов.

Актуальность темы исследования

Опыт многолетней эксплуатации длительно функционирующих космических объектов свидетельствует о том, что по мере увеличения продолжительности полета все большее значение приобретает санитарно-гигиеническое и экологическое состояние среды обитания.

Создаваемые и поддерживаемые в космическом объекте условия искусственной среды обитания, адекватные потребностям человека, являются благоприятными для жизнедеятельности большинства известных микроорганизмов. При этом биоконтаминация воздушной среды, оснащения и оборудования обитаемых отсеков протекает с высокой интенсивностью в условиях непрерывной работы сменяющихся экипажей на борту, при осуществлении грузопотока (доставки с Земли заменяемого оборудования, расходуемых материалов и т.п.). В этих процессах могут участвовать патогенные для человека бактерии и микроорганизмы - биодеструкторы, способные негативно влиять на работу приборов и систем жизнеобеспечения [55, 56]. Кроме того, развитие микроорганизмов на поверхности материалов представляет определенную опасность для здоровья людей, поскольку бактерии и грибы, повреждающие материалы, могут вызывать различные заболевания у космонавтов [40,82].

Как показал опыт эксплуатации российских орбитальных станций (ОС), комплекс систем обеспечения газового состава позволяет формировать и поддерживать необходимые условия среды обитания [46]. Так, в настоящее время, в условиях пилотируемого полета с положительным эффектом используется установка обеззараживания воздуха (УОВ) «Поток 150 МК», способная очистить от микроорганизмов воздушную среду даже при наличии высокой исходной микробной нагрузки [39]. Однако следует отметить, что в связи с постоянным возрастанием количества экспериментов на борту и увеличением числа доставляемых грузов, а также в аспекте будущих межпланетных полетов, необходимо включение в состав системы биологической очистки воздуха дополнительных средств поддержания оптимальной и биопозитивной санитарно-микробиологической обстановки. Кроме того, при длительной работе УОВ «Поток 150 МК» в пробах воздуха обнаруживается присутствие озона, что вносит существенные ограничения по времени в режимы ее эксплуатации [5]. Поэтому необходимо повышать качество воздушной среды гермообъекта.

Вместе с тем реализованная в настоящее время система по обеспечению микробиологической безопасности оказалась недостаточно эффективной в отношении рисков, обусловленных жизнедеятельностью микроорганизмов на поверхностях конструкционных материалов интерьера и оборудования ОС [30].

Кроме возникновения медицинских и технологических рисков, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, в последнее время особую значимость приобрела задача поддержания экологического баланса, обеспечивающего безопасность среды обитания во внутреннем объеме космического объекта.

Эталоном биологически полноценной среды обитания для человека является земная среда [14], для формирования которой в замкнутом объеме необходимо создание систем жизнеобеспечения на основе биологических методов. Воздушная атмосфера, в которой пребывают участники космического полета (КП), проходит многократные циклы регенерации. После искусственной регенерации воздух сохраняет свои основные «макроскопические» свойства, но утрачивает некоторые микропримеси, к которым относятся, в первую очередь, легкие аэроионы и аэрозоли, что отрицательно сказывается на экологическом балансе внутри космического корабля.

Решение проблемы улучшения качества воздуха на борту пилотируемой космической станции, и тем самым повышение безопасности КП, должно решаться путем формирования биологически позитивной для человеческого организма воздушной среды. Таким образом, очевидна необходимость совершенствования методов и средств обеспечения микробиологической чистоты и улучшения качества воздушной среды обитаемых отсеков космических аппаратов, в том числе основанных на методах естественной самоочистки.

В результате исследований, проведенных в Московском авиационном институте, было разработано устройство для обеззараживания воздуха «Галоингалятор» модель ИГК-02 позволяющее создавать в замкнутых помещениях воздушную среду, эквивалентную атмосфере соляных пещер [67]. Известно, что одним из основных факторов микроклимата естественных подземных полостей и некоторых, искусственно пройденных горных соляных выработок, является отсутствие аллергенов и патогенных микроорганизмов, и, что особенно важно, высокая объемная концентрация легких отрицательных аэроионов [81]. Работа прибора связана с выходом массы активного вещества из аппарата и насыщением до определенных значений газовой среды помещения. Прибор является источником аэрозоля, содержащего мелкодисперсные частицы KCl и отрицательно заряженные аэроионы. Прибор «Галоингалятор» позволяет снижать уровни микробной обсемененности воздушной среды и поддерживать их в пределах величин, регламентир>емых SSP 50260 MORD для

Международной космической станции. Использование прибора «Галоингалятор» в гермообъектах может способствовать, с одной стороны, формированию качественной, биопозитивной для человека воздушной среды, содержащей полезные отрицательные аэроионы, а с другой стороны будет оказывать подавляющее действие на рост и размножение микроорганизмов, тем самым, предотвращая появление экстремальной ситуации на борту пилотируемого космического объекта.

Экспериментальные и теоретические (с использованием математического моделирования) исследования процессов продуцирования микросолей естественного происхождения являются актуальной научной задачей, так как позволят сформировать качественную, биологически позитивную воздушную среду на борту пилотируемой космической станции, что приведет к повышению уровня безопасности и надежности космических полетов.

Цель исследования

Обеззараживание воздушной среды и улучшение ее качественного состава на основе продуцирования микросолей естественного происхождения в целях обеспечения безопасности обитаемых герметичных объектов.

Задачи исследования

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Сравнительный анализ современных методов обеззараживания воздуха;

2. Математическое моделирование и анализ процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермообъекта для инактивации микроорганизмов;

3. Определение механизмов инактивации микроорганизмов под воздействием воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»;

4. Экспериментальная оценка эффективности работы прибора «Галоингалятор» по обеззараживанию воздушной среды гермообъектов;

5. Экспериментальное обоснование и медицинская оценка воздействия на человека воздушного потока, продуцируемого новым биотехническим методом.

Материалы исследования

1. Результаты лабораторных исследований основных характеристик воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор»;

2. Результаты микробиологических исследований по очистке воздушной среды гермообъекта для уменьшения грибковых и бактериальных образований в рамках эксперимента «Воздух и комфорт»;

3. Результаты исследований по определению эффективности воздействия воздушного потока, создаваемого прибором «Галоингалятор», на микроорганизмы, обнаруживаемые на борту пилотируемых космических аппаратов;

4. Результаты медицинского исследования влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Галоингалятор», на организм человека, проводимого с целью анализа теоретически обоснованного предположения об активации иммунной системы;

5. Результаты исследования по оценке эффективности применения прибора «Галоингалятор» при лечении и профилактике респираторных заболеваний и при функциональном снижении гемоглобина крови.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались:

1. Методы математического моделирования;

2. Численные методы математического анализа и математической статистики;

3. Сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных;

4. Экспериментальные методы исследования эффективности обеззараживания воздушной среды гермообъекта;

5. Экспериментальные методы исследования влияния воздушной среды, создаваемой прибором «Галоингалятор», на организм человека.

Научную новизну работы определяют:

1. Теоретически обоснованная математическая модель процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермообъекта, для инактивации микроорганизмов;

2. Экспериментальные данные о влиянии воздушной среды, продуцируемой прибором «Галоингалятор», на уровень микробной обсемененности в герметичном замкнутом объекте с участием испытателей;

3. Медицинские данные о действии микросолей естественного происхождения на микроциркуляторное русло человека.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанная математическая модель процессов продуцирования микросолей естественного происхождения для инактивации микроорганизмов позволяет анализировать уровень микробной обсемененности воздушной среды гермообъекта;

2. Результаты микробиологических исследований по очистке воздушной среды гермообъектов, в том числе, проводимых с участием испытателей, свидетельствуют о четко выраженном антимикробном действии прибора «Галоингалятор» на бактерии и грибы, формирующие микроэкосферу замкнутого объема;

3. Данные медицинских исследований подтверждают положительное влияние микросолей естественного происхождения на организм человека;

4. Управление качеством воздушной среды на борту длительно действующего орбитального или межпланетного космического объекта позволит повысить качество жизни и безопасность космонавта в полете.

Исследования выполнены в рамках плановых научно-исследовательских программ ГНЦ РФ-Института медико-биологических проблем РАН, Московского авиационного института (Аэрокосмического факультета), Федерального управления «Медбиоэкстрем» и Федерального космического агентства «Роскосмос».

Практическая значимость

1. Применение прибора «Галоингалятор» в тракте очистки и регенерации атмосферного воздуха межпланетного пилотируемого космического корабля позволит сформировать качественную, биопозитивную для человека воздушную среду;

2. На основе проведенных медицинских исследований прибор «Галоингалятор» внедрен в практику лечения и профилактики пациентов физиотерапевтического отделения ГВКГ ВВ МВД России.

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку теоретических моделей, методик экспериментальных исследований, проведение медицинских экспериментальных исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Проведено внедрение в практику лечения и профилактики пациентов физиотерапевтического отделения Главного военного клинического госпиталя ВВ МВД России нового метода и прибора «Галоингалятор» для насыщения воздуха аэроионами и аэрозолями лекарственных веществ в замкнутом объеме.

Разработанный прибор принят в наземный эксперимент, моделирующий пилотируемый полет на Марс «Марс-500».

Апробация работы

Основные результаты и положения докладывались и обсуждались на:

V и VI конференциях молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики (Москва, 2006, 2007 гг); XIII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2006 г); 5-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006 г).

Выводы:

1. Разработана математическая модель, позволяющая выбрать оптимальные технические характеристики прибора для обеззараживания воздушной среды: режим подачи воздушного потока соответствующий расходу 1м /е., высота насыпного слоя соляного компаунда - 8 см. Для выбранных и обоснованных начальных и граничных условий точность не менее 90%.

2. Доказано и экспериментально подтверждено, что для использования в качестве соляного компаунда наиболее целесообразно применение морской соли «Ахиллес».

3. Доказано, что механизм инактивации микроорганизмов в воздушной среде, продуцируемой прибором «Галоингалятор», происходит за счет воздействия на них ионизации, происходящей при естественной радиации изотопа калия (40Ki9). Содержание отрицательно заряженных аэроионов в незагрязненном атмосферном воздухе, при загрузке прибора морской солью «Ахиллес» составляет 300СИ-3400 ионов в см3, при загрузке

Л -J природным минералом «сильвинит» - 1700+2100 ионов в см , при расходе воздуха 1м /мин.

4. Установлено эффективное антимикробное действие прибора «Галоингалятор» на вегетативные представители бактериальной флоры и на споры бактерий и микромицетов. 6-часовая непрерывная работа установки обеспечивает 98,8+99,9%-ную гибель микроорганизмов в воздухе гермообъекта при искусственно созданной исходной микробной нагрузке (в 2+3,5 раза) превышающей регламентируемые значения.

5. Показано на основе результатов круглосуточной непрерывной работы прибора «Галоингалятор» в гермообъекте объемом 100м3 с участием четырех испытателей, что его применение обеспечивает снижение и поддержание уровней микробной обсемененности в пределах регламентированных для Международной космической станции показателей в соответствии с SSP 50260 MORD.

6. Применение прибора «Галоингалятор» с обоснованными и подтвержденными режимами функционирования для продуцирования микросолей естественного происхождения при создании качественной воздушной среды в обитаемых гермообъектах приведет к повышению безопасности жизнедеятельности человека в пилотируемом космическом полете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования посвящены актуальному вопросу создания аэроионного состава воздушной среды для деконтаминации микроорганизмов в герметичных обитаемых объектах под воздействием микросолей естественного происхождения. Применение прибора «Галоингалятор» в системе обеспечения жизнедеятельности гермообъекта позволит обеспечить необходимый уровень микробиологической чистоты и как результат улучшить качество воздушной среды обитаемых отсеков космических аппаратов.

1. Андреюк Е.И., Билай В.И., Коваль Э.З. и др. Микробная коррозия и ее возбудители.-Киев: Наукова думка, 1980.- с.288;

2. Апсатаров Э.А., Жамалов С.А., Алимжанов А.К. Озонотерапия хирургической инфекции// Актуальные вопросы хирургической инфекции. Материалы научно-практической конференции.- Семипалатинск, 1991.- с. 16-17;

3. Аргунова A.M. Качество воздушной среды гермообъектов// «Качество и жизнь». -Москва, 2007г. с.496-500;

4. Аргунова A.M., Соловьева З.О., Скедина М.А, Верулашвили Л.А., Ильин В.К. Юсупов И.Е. Влияние микросолей естественного происхождения на организм человека// Сборник статей научно-практической конференции «Космос и медицина». -Москва, 2007г. с.24-27;

5. Балашов Е.В., Викторов А.Н., Володина Е.В., Горшков П.В. Результаты комплексных исследований установки для обеззараживания газовой среды орбитальных станций// Авиакосмическая и экологическая медицина.- М., 1996.-Т.30., №6- с.37-42;

6. Васильева Т.С., Григорьева И.А., Субботко O.A. Сб. науч. тр. ВНИИТГП. М.: ЦНИИТЭИЛегпром.- 1989.-с.30-35;

7. Васильева Т.С., Кричевский Г.Е., Олтаржевская Н.Д. и др.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 1990.-№ 1.-С.63-67;

8. Вассерман А.Л., Тихомиров В.А., Юзбашев В.Г. О руководстве по проектированию и эксплуатации ультрафиолетовых и бактерицидных установок// Светотехника.- М., 2002.- №4,- с.35-37;

9. Вассоевич Н.Б. Учение о биосфере (1802-1876-1926)// Изв. АН СССР. Сер. геол.1977.-№ 1.-с.5-13;

10. Введение в прикладную энзимологию/ Под ред. Березина И.В., Мартинека К.- М.: МГУ. 1982.-c.382;

11. Великанов Л.Л., Панова O.A., Тимонин В.А. Влияние некоторых микроорганизмов на электрохимическое и коррозионное поведение конструкционных материалов// Биологические повреждения строительных и промышленных материалов.- Киев,1978.- с.37;

12. Верихова Л.А. Спелеотерапия в России. Пермь, 2000;

13. Вернадский В.И. Биосфера (1926)// Избр. соч. T.V.- М., Изд-во АН СССР, I960.- с.7-102;14