И.С. Захаров

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)

"Мягкие измерения" отличаются от классических математических подходов прежде всего возможностью учета множества условий для получения результата.

Методология "мягких измерений" часто полезна не только потому, что позволяет получить новый измерительный программный продукт, но и потому, что ее отличает аналитичность подхода, эвристичность и системообразующее начало. Полезно рассмотреть с позиций этой методологии причины неувязок в экологическом нормировании.

Lik = f (Ci), где Lik - процент летальности лабораторных организмов вида k при воздействии концентраций Сi тестируемого вещества.

Обычно получают медианные значения концентрации (LC50) и согласно методам теории вероятности вычисляют доверительный интервал. Особенностью экотоксикологии является малая выборка данных, поэтому доверительный интервал может охватывать диапазон концентраций в 1000 - 100000 процентов [2]. Чтобы учесть разброс, вводятся коэффициенты запаса N =1000 - 10000 раз. В общем случае:

ПДК = LC50/N.

В работе [1] отмечались основные недостатки классического подхода: 1) вычисленный интервал охватывает диапазон концентраций с которыми не проводилось опытов 2) границы диапазона могут находиться вне пределов физического измерения 3) закономерности, наблюдаемые в одном диапазоне неправомерно распространяются на всю шкалу измерения 4) при получении результатов не учитывается естественный фон.

В работе [1] предлагалось сформировать группы шкал, которые учитывают границы естественного фона и физически измеримого диапазона концентраций и заменить реальным измерением в опыте прежнее гипотетическое определение концентраций по числу разбавлений. Последний способ приводит к вопиющим ошибкам. Например, чувствительность лососей к органическим спиртам изучалась в 50-е годы Neirath, Hasle, Teichmann методом пропорциональных разбавлений и была измерена как 10^-14 - 10^-18мг/л (1 мг примерно в трети толщи всего мирового океана) при том, что предел физического измерения 10^-1 мг/л.[3] К сожалению, в отечественной и зарубежной литературе по экотоксикологии механически применяются неадекватные объекту методы обработки распределений, причем результат приводится в виде доверительного интервала и трудно разделить погрешности постановки опыта от погрешностей математической обработки.

Возможным путем снижения дисперсии оценки может быть переход к расчету оценок по условным распределениям f (Ci/ M), где M - событие, заключающееся, например, в том, что Ci находятся в пределах диапазона используемых концентраций: Ci < Cm1, Ci > Cm2.

Следующим этапом аналитического рассмотрения возможностей применения "мягких измерений" в области экотоксикологии становится согласование экологического и экологонормативного подхода в трактовке границ диапазона измеряемых концентраций. С удивлением можно заключить, что принципы экологического нормирования не соответствуют закономерностям экологии, биологии и медицины, что и порождает утопически сверхнизкие ПДК и большие коэффициенты разброса.

При эвристических методах анализа проблемы часто используется эмпатия - "вживание" исследователя в элементы системы. С позиций подобного подхода сама процедура вычисления ПДК методом разведений для живого аналогична тому, как если бы людям сначала давали бы концентрированный солевой раствор, потом соленую воду, потом минералку, потом с крупинкой соли и дистиллят и подсчитав число погибших в опытах с каждой концентрацией, установили бы некую условную медианную величину 50-ти процентной гибели (например, 30 чайных ложек соли на литр). Затем эту величину разделили бы произвольно на 100 или 10000 и определили ее, как норму для всех людей, которую надо соблюдать с точностью 10%. В такой процедуре математический подход подавляет биологический.

Токсикологи, изучающие действия факторов, опасных для человека, отдельно исследуют смертность от больших доз и эффект сверхмалых доз, при которых экспозиция должна быть различна. Отдельно изучается диапазон доз факторов, приемлемый для здоровья.

В экологии зависимость степени регуляции организма от концентраций микроэлемента тоже предполагает наличие нижней пороговой концентрации CL и верхней пороговой концентрации СH, согласно известной диаграмме эколога В.В.Ковальского (рис.1).

При Ci<CL и Ci>CH наблюдается нарушение функций любого организма. В.В.Ковальским были определены границы концентраций для основных элементов в почве (табл.1) В этой же таблице приведены

ПДК содержания элементов в почве [5] Как видно, отсутствует элементарное согласование: ПДК попадают то на границу Cl, то на границу Ch, то внутрь интервала. Для ряда элементов, важность контроля которых доказана экологами, ПДК не установлены.

Рис.1. Диаграмма Ковальского.

Function level - уровень функционирования; BF (break function) - диапазон концентраций, при котором нарушаются функции организма. Regulation range -пределы нормальной регуляции, CL- нижняя пороговая концентрация, CH - верхняя пороговая концентрация.

Табл.1. Пороговые концентрации элементов в почве

Разброс между пороговыми концентрациями, согласно многолетним исследованиям В.В.Ковальского, составляет величины порядка 50 - 100, но никак не достигает величин N, которые вводятся, как поправочные коэффициенты при вычислении норм. Поэтому при уменьшении относительно величин LC50 на поправочные коэффициенты, ПДК могут выходить за пределы нижних пороговых концентраций.

Отсутствие нижнего порога в экологическом нормировании приводит к тому, что нормативы очистки развиваются в направлении получения дистиллированной воды. В то же время диаграмма Ковальского показывает, что при отсутствии микроэлементов животные начинают болеть, так как микроэлементы выполняют роль кофакторов метаболических процессов в организмах.

Следует отметить, что при нормировании вообще не выделяются те элементы, которые составляют группу микроэлементов (Al, Br, Fe, I, Co, Mn, Cu, Mo, F, Zn ) и чуждые для организма вещества и соединения, которые в норме должны отсутствовать в среде. В США в отдельную группу при нормировании выделены только канцерогены.

Исходя из диаграммы и таблицы можно заключить, что описывать летальность линейной функцией регрессии Li = k ln(Ci), на чем основывается обработка данных распределения по пробит-методу, неправомерно в принципе с точки зрения экологии. При применении столь малоадекватной реакции живого функции регрессии, будет получаться большой разброс относительно функции регрессии, который и наблюдается при обработке результатов, но приписывается разбросу чувствительности организмов.

Разделение диапазона на два порога и интервал регуляции предполагает иную методологию исследования. (рис.2).

Рис.2. Шкала токсикологического эксперимента.

CL range - диапазон изменения нижней пороговой концентрации,

CH range - диапазон изменения верхней пороговой концентрации,

Regulation range - диапазон нормальной регуляции.

Выделяются концентрации, соответствующие нижнему и верхнему порогу гибели организмов. Верхний порог по Ковальскому колеблется в весьма небольшом диапазоне (2-10 раз), нижний порог в большем диапазоне. Выделяется диапазон регуляции, где реакции высоко вариабельны, поскольку зависят от индивидуальности организма, солнечных, суточных и иных ритмов. Объединение данных о реакциях гибели в одну выборку с реакциями в пределах нормальной регуляции закономерно приводит к большому суммарному разбросу результатов. Затем концентрация пересчитывается для попадания в диапазон регуляции, но не ниже нижнего порога.

Коэффициент аккумуляции неправомерно определять при нормировании как константу. Экологические данные, приведенные в работе [3], показывают, что он может изменяться в зависимости от геохимии региона для ряда растений в диапазоне 2 - 400. Установление единой константы для всех территорий (100) приводит к необоснованному перерасходу средств на очистку воды. При оценке риска воздействия концентраций загрязнителя зарубежные методики предполагают выделение зон геохимических аномалий, например, залив Кука в США, где суммарная концентрация ряда элементов в воде с учетом фона превышает границы обычных норм. В зонах геохимических аномалий могут изменяться коэффициенты аккумуляции.

Учет вышерассмотренных факторов возможен при проведении экотоксикологических опытов с целью нормирования на базе программы в виде геоинформационной системы (ГИС), отражающей карты геохимических аномалий и фоновые концентрации элементов в регионах.

При постановке опытов вводится ряд шкал, предложенных в работе [1], и выделяются группы канцерогенов и микроэлементов. Диапазон концентраций разбивается на три поддиапазона: для установления верхнего предела, нижнего предела и диапазона регуляции. По первым двум рассчитываются оценки по условным распределениям. Данные пересчитываются с учетом особенностей фона и коэффициентов аккумуляции районов геохимических провинций. Подобным способом могут быть рассчитаны частные оценки чувствительности отдельных видов. Результаты будут более приближены к действительности за счет системного уменьшения разброса данных и привязки к геохимии регионов.

1. Захаров И.С., Ивакина А.В. Возможности применения "мягких измерений" в токсикологии. /SCM'99, Сб.докладов, Т2, С31-33.

2. Захаров И.С. "Почему не работают ПДК?", МОСТ, март 1999 г.

3. Основные особенности поведения и ориентации рыб, М.МГУ. 1974.

4. Ковальский В.В. Геохимическая среда и жизнь М.1982 г

5. Биологическая роль микроэлементов/ под ред. В.В.Ковальского/ М.1983 г

6. Контроль химических и биологических параметров среды. Справочник. М.1998 г.