Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность: 05.26.02 “Безопасность в чрезвычайных ситуациях” (авиационная и ракетно-космическая техника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Биотехнические основы и математическое моделирование создания качественного аэроионного состава газовой среды обитаемых герметичных объектов

Аргунова Анна Михайловна

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации -- Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Строгонова Любовь Борисовна

Научный консультант: доктор биологических наук Новикова Наталия Дмитриевна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Зорина Нина Георгиевна

кандидат технических наук Хабаровский Николай Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт машиностроения

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

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Назаров Н.М.

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 Н.Д., 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 Е.В. 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 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.

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); ХIII 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 Н.Д. 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.

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.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 1. Микробиологический фактор в условиях космического полета

Во второй главе приведено математическое моделирование процессов продуцирования микросолей естественного происхождения в воздушную среду гермообъекта 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, pH 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 КС1	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: NaCl - 51,6ч77,2%, KCl - 19,7ч42,0%, MgCl, CaS0₄, и в виде примесей, большинство жизненно необходимых 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 (NаСl) и карналлита (MgCl₂·KCl·6H₂O) Верхнекамского месторождения.

Механизм аэроионизации воздуха под действием микросолей КСl происходит следующим образом:

Природный калий представлен тремя изотопами: двумя стабильными (³⁹К₁₉ и ⁴²К₁₉) и радиоактивным ⁴⁰К₁₉, составляющим 0,0118% от всего калия.

Изотоп ⁴⁰К₁₉ неустойчив. При первом типе распада, который происходит с 88% атомов данного изотопа, ⁴⁰К₁₉ превращается в ⁴⁰Са₂₀ (кальций), испуская при этом в-частицу. Эта частица ни что иное, как электрон с энергией 0,54 МэВ.

⁴⁰К₁₉ > ⁴⁰Са₂₀ +е ^-

Эманированные в-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 ⁴⁰Аr₁₈ (аргон), ядро которого переходя в стабильное состояние образует г-квант с энергией 1,45 МэВ.

⁴⁰К₁₉ + е ^- >⁴⁰ Аr₁₈ +hн.

г-частица обладает довольно значительной проникающей способностью, однако она гораздо ниже, чем энергия г-излучения на следе облака ядерного взрыва, поэтому такое излучение радиофизики условно классифицируют как «мягкое» г- излучение. Период полураспада ⁴⁰К₁₉ составляет 1,32x10⁹ 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 3К» (Россия).

Рисунок 2. Распределение аэроионов при загрузке прибора природным минералом «сильвинит»

Рисунок 3. Распределение аэроионов при загрузке прибора морской солью «Ахиллес» (второй режим)

Механизм инактивации микроорганизмов в воздушной среде, продуцируемой прибором «Галоингалятор», происходит за счет воздействия на них ионизации, происходящей при естественной радиации изотопа калия (⁴⁰К₁₉). На основании анализа физических и химических характеристик различных материалов фильтра насытителя выбрана в качестве соляного компаунда обладающая наиболее выраженным ионизирующим эффектом морская соль «Ахиллес».

При создании математической модели продуцирования микросолей КСl для обеззараживания воздушной среды был введен ряд допущений:

- расчет производится для гермозамкнутого помещения;

- за один цикл работы через прибор проходит весь воздух, содержащийся в гермообъеме;

- объем помещения 20м³;

- в качестве тест-культуры выбраны грибы вида Penicillium expansum, остальными видами грибов, находящихся в гермопомещении пренебрегаем;

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

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

Гибель микроорганизмов в воздушной среде гермообъекта происходит за счет их взаимодействия с солями КСl в воздухе и приборе, а также за счет адсорбции в слое пористого материала фильтра-наполнителя.

Изменение количества микроорганизмов в объеме dV_a за время dt:

, (1)

где С - концентрация микроорганизмов, КОЕ/м³;

е - пористость материала;

V_a - объем соляного компаунда в аппарате, м³;

T - время обеззараживания, мин.

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

, (2)

где v - средняя скорость потока воздуха, м/мин.

Скорость переноса микроорганизмов в слое пористого материала оказывается меньше, чем средняя скорость потока воздуха и называется скоростью фильтрации.

Количество уничтоженных микроорганизмов в объеме прибора dV_a за время dt за счет взаимодействия с солью КСl:

, (3)

где щ_а - удельная скорость гибели микроорганизмов в аппарате за счет взаимодействия с солью КСl, КОЕ/м³мин.

Общее количество уничтоженных микроорганизмов в приборе:

, (4)

Начальные и граничные условия:

, (5)

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

; (6)

где l - высота слоя соляного компаунда в приборе, м.

Скорость гибели микроорганизмов в приборе за счет взаимодействия с солью КСl находим из условий стационарного режима (т.е. ) и с учетом того, что и :

, (7)

где Q -расход воздуха через аппарат, м³/мин;

F - площадь соляного компаунда в приборе, м².

Количество уничтоженных микроорганизмов в воздушной среде гермообъема за счет взаимодействия с солью КСl:

, (8)

где щ_го - удельная скорость гибели микроорганизмов в воздушной среде гермообъекта за счет взаимодействия с солью КС1, КОЕ/м³мин;

V_го - объем гермообъекта, м³.

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

, (9)

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 КСl 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 КСl от времени (рисунок 6).

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

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

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.

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 1,9ч3,9мг/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 600ч3500 ионов в см³. При загрузке прибора морской солью «Ахиллес» концентрация отрицательно заряженных аэроионов составляла 3000ч3400 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 Н.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 микромицетов. 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 гермокамере 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 гермокамере соответственно 99,9% и 98,8%.

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-ИМБП РАН показали, что воздушная среда, продуцируемая прибором «Галоингалятор», позволяет снижать уровни микробной обсемененности воздушной среды и поддерживать их в пределах величин, регламентированных для Международной космической станции в период полета (SSP 50260 MORD). Динамика содержания бактерий и грибов в воздухе экспериментального модуля представлена на рисунке 10.

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

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

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

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, подлежащих коррекции. Исследование проходили в медицинском центре на базе санатория-профилактория Московского авиационного института (ГТУ). Методика лечения состояла из 10 сеансов галотерапии продолжительностью по 20 мин. Для обследования были отобраны 70 испытателей со следующей патологий: вегето-сосудистая дистония, 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-глутамилтранспептидазы (ГГТ) (рисунок 12).

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 ВВ МВД России.

Рисунок 11. Динамика содержания гемоглобина в зависимости от количества галопроцедур

Рисунок 12. Динамика гамма-глутамилтранспептидазы у пациентов с болезнью Боткина

Для проведения исследования были отобраны 2 основные группы пациентов: первая группа - пациенты с хроническим бронхитом в стадии ремиссии (ХБ), вторая группа - пациенты с функциональным снижением гемоглобина крови (АН). У каждой была группа контроля с тем же диагнозом, что и у обследуемых групп, но не проходившая курс галотерапии. Основные группы были разделены на две подгруппы, для каждой из которой использовался свой физический вид наполнителя фильтра. Для подгруппы 1 использовался дробленый природный минерал «сильвинит». Для подгруппы 2 использовалась морская соль «Ахиллес». Методика лечения для основных двух групп состояла из 10 сеансов галотерапии продолжительностью по 15 мин. Эффективность применения галоингалятора оценивали по изменению показателей лабораторно-инструментальных исследований. Результаты исследования показали, что применение прибора «Галоингалятор» проводит к снижению количества бактерий 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 микробной обсемененности слизистых оболочек носоглотки

Рисунок 14. Динамика содержания гемоглобина в основных группах

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

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

Таблица 2

Параметры функции внешнего дыхания у пациентов основной группы с хроническим бронхитом (M±m)

Группы пациентов/Параметры	ХБ1, n=7	ХБ2, n=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±0,32	102±5	4,68±0,18	85±3

Таблица 3

Динамика параметров микроциркуляторного русла (M±m)

Группы пациентов/Параметры	ХБ1 n=7	ХБ2 n=6	АН1 n=7	АН2 n=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	1,11±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	0,34±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

Рисунок 15. Динамика содержания креатинфосфокиназы

Рисунок 16. Динамика содержания билирубина

безопасность герметичный воздушный аэроионный галоингалятор

Таблица 4

Значения уровня постоянного потенциала головного мозга (M±m).

Группы пациентов/Значения УПП, мВ	ХБ1 n=7	ХБ2 n=6	АН1 n=7	АН2 n=6
Лобный отдел (Fz)	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 (Cz)	фон	13,2±5,6	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 (Oz)	фон	15,6±7,6	14,4±8,3	9,5±7,7	14,9±6,9
	14 сутки	14,7±8,6	11,7±7,0	9,8±12,4	10,6±6,1
Правый височный отдел (Td)	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 (Ts)	фон	11,4±7,3	11,2±4,5	17,0±9,3	9,2±4,1
	14 сутки	11,1±7,7	9,4±5,2	14,5±8,6	8,2±5,9

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

В четвертой главе представлены перспективы дальнейшего использования прибора «Галоингалятор» для улучшения качества воздушной среды гермообъектов, 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 связаны 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:

,

где (Q_i)^max - относительный текущий показатель количественной характеристики первого рода, %;

n - число показателей по характеристикам первого рода;

(Q_j)^min - относительный текущий показатель количественной характеристики второго рода;

m - число показателей второго рода, %;

(Q_k)^min - 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 KCl, 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 см² 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%-ю гибель бактерий и 100%-ю гибель грибов, при их исходной естественной концентрации в гермопомещении; 99,67%-ю гибель бактерий и 97,85%-ю гибель грибов, при их исходной концентрации, превышающей нормативный показатель;

· при загрузке морской солью «Ахиллес»- 98,5%-ную гибель бактерий и - 95,7%-ю гибель грибов, при их исходной естественной концентрации в гермопомещении; 99,9%-ю гибель бактерий и 98,8%-ю 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% при загрузке прибора природным минералом «сильвинит» (80,1±6,8% при загрузке морской солью «Ахиллес»)) и элиминирование со слизистых оболочек носоглотки условно - патогенных штаммов Staphylococcus aureus;

· рост содержания гемоглобина в крови на 3ч5±1%¹ (2ч6±1%²);

· улучшение микроциркуляции кровотока (увеличение линейной скорости на 13ч16±4%¹ (в 2,1 раза²), объемной скорости на 12ч27±5%¹ (в 2,3 раза²);

· тенденцию к улучшению показателей функции внешнего дыхания (увеличение абсолютных и относительных значений ЖЕЛ на 8±5%¹ (8±3%²), ФЖЕЛ на 7±3%¹, улучшении относительных значений ИТ на 8±4%¹ (9±4%²));

· уменьшение интенсивности хронического воспаления в организме у больных хроническим бронхитом (снижение количества лейкоцитов на 5ч13±1%¹, палочкоядерных нейтрофилов на 15±3%¹);

· нормализацию исходно повышенных биохимических показателей крови (для КФК- 45ч64±5%¹ (42ч65±10%²); для билирубина- 46ч48±10%¹ (44ч45±10%²));

что доказывает стимулирующее воздействие воздушной среды, продуцируемой «Галоингалятором», на резистентность организма. Показано, что природный минерал «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 (⁴⁰К₁₉). Содержание отрицательно заряженных аэроионов в незагрязненном атмосферном воздухе, при загрузке прибора морской солью «Ахиллес» составляет 3000ч3400 ионов в см³, при загрузке природным минералом «сильвинит» - 1700ч2100 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 98,8ч99,...