Введение

Летучие органические соединения (ЛОС) – это органические соединения, характеризующиеся высоким давлением пара при комнатной температуре. Высокое давление пара коррелирует с низкой температурой кипения, что связано с концентрацией молекул вещества в окружающем воздухе – свойством, известным как летучесть. ЛОС являются причиной запахов в ароматизаторах и парфюмерии, а также представляют собой загрязняющие вещества. ЛОС играют важную роль в коммуникации между животными и растениями, например, привлекая опылителей, защищая от хищников и обеспечивая взаимодействие между растениями. Некоторые ЛОС опасны для здоровья человека или наносят вред окружающей среде. Антропогенные ЛОС регулируются законодательством, особенно в закрытых помещениях, где их концентрация наиболее высока. Большинство ЛОС не обладают острой токсичностью, но могут вызывать долгосрочные хронические заболевания. Некоторые ЛОС используются в фармацевтике, а другие находятся под административным контролем из-за их рекреационного применения.

Определения

Используются различные определения термина ЛОС. Ниже приведены некоторые примеры.

Канада

Канадское управление здравоохранения классифицирует ЛОС как органические соединения с температурами кипения примерно в диапазоне от... Акцент делается на широко распространенных ЛОС, которые оказывают влияние на качество воздуха.

Европейский союз

Европейский Союз определяет ЛОС как "любое органическое соединение, а также фракцию креозота, имеющее при 293,15 K давление паров 0,01 кПа или более, или обладающее соответствующей летучестью в конкретных условиях применения". Директива об эмиссиях летучих органических соединений (ЛОС) являлась основным инструментом политики по сокращению промышленных выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в Европейском Союзе. Она охватывает широкий спектр видов деятельности, связанных с использованием растворителей, например, печать, очистка поверхностей, покрытие транспортных средств, химчистка и производство обуви и фармацевтической продукции. Директива об эмиссиях ЛОС требует, чтобы предприятия, осуществляющие такую деятельность, соответствовали либо предельным значениям выбросов, установленным в Директиве, либо требованиям так называемой схемы сокращения выбросов. Статья 13 Директивы о красках, утвержденной в 2004 году, внесла изменения в первоначальную Директиву об эмиссиях ЛОС и ограничивает использование органических растворителей в декоративных красках и лаках, а также в продуктах для отделки транспортных средств. В Директиве о красках установлены максимальные предельные значения содержания ЛОС для красок и лаков при определенных видах применения. С 2013 года Директива об эмиссиях растворителей была заменена Директивой о промышленных выбросах.

Китай

Китайская Народная Республика определяет ЛОС как соединения, которые "образуются в результате эксплуатации автомобилей, промышленного производства и бытового использования, сжигания всех видов топлива, хранения и транспортировки нефтепродуктов, лакокрасочных материалов и покрытий для мебели и оборудования, дыма от приготовления пищи и мелких частиц (PM 2.5)", а также аналогичных источников. Трехлетний план действий по достижению чистого неба, опубликованный Государственным советом в июле 2018 года, предусматривает сокращение выбросов ЛОС по сравнению с уровнем 2015 года на 10% к 2020 году.

Индия

Центральный совет по контролю за загрязнением воздуха Индии опубликовал Закон о воздухе (предотвращение и контроль загрязнения) в 1981 году, с поправками 1987 года, для решения проблем, связанных с загрязнением воздуха в Индии. Хотя в документе не делается различий между летучими органическими соединениями и другими загрязнителями воздуха, CPCB осуществляет мониторинг "оксидов азота (NOx), диоксида серы (SO2), мелкодисперсных частиц (PM10) и взвешенных частиц (SPM)".

Соединенные Штаты

Определения ЛОС, используемые для контроля прекурсоров фотохимического смога Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и государственными органами США, имеющими собственные правила регулирования загрязнения атмосферного воздуха, включают исключения для ЛОС, которые признаны нереакционноспособными или малореакционноспособными в процессе образования смога. Наиболее известны правила регулирования ЛОС, установленные округом управления качеством воздуха Южного побережья Калифорнии и Калифорнийским советом по контролю за качеством воздуха (CARB). Однако такое конкретное использование термина ЛОС может быть вводящим в заблуждение, особенно применительно к качеству воздуха в помещениях, поскольку многие химические вещества, не подлежащие регулированию как загрязнение наружного воздуха, могут иметь важное значение для загрязнения воздуха в помещениях. После общественных слушаний в сентябре 1995 года CARB использует термин "реактивные органические газы" (ROG) для измерения содержания органических газов. CARB пересмотрела определение "летучих органических соединений", используемое в нормативных актах, касающихся потребительских товаров, на основе выводов комитета. Помимо питьевой воды, ЛОС регулируются в стоках загрязняющих веществ в поверхностные воды (непосредственно и через очистные сооружения) как опасные отходы, но не в воздухе помещений, не связанном с промышленной деятельностью. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) регулирует воздействие ЛОС на рабочем месте. Летучие органические соединения, классифицированные как опасные материалы, регулируются Администрацией безопасности трубопроводного транспорта и опасных материалов во время транспортировки.

Биогенерируемые летучие органические соединения

Большинство летучих органических соединений (ЛОС) в атмосфере Земли являются биогенными, в основном выделяемыми растениями. Без учета метана, биологические источники выбрасывают около 760 тераграмм углерода в год в форме ЛОС. Большинство ЛОС производятся растениями, при этом основным соединением является изопрен. Небольшое количество ЛОС производится животными и микроорганизмами. Многие ЛОС рассматриваются как вторичные метаболиты, которые часто помогают организмам в защите, например, растениям – от поедания травоядными. Сильный запах, испускаемый многими растениями, состоит из летучих веществ зеленых листьев – подмножества ЛОС. Хотя эти вещества предназначены для обнаружения и реагирования на них близлежащими организмами, их можно обнаружить и передавать посредством беспроводной электронной передачи, путем внедрения наносенсоров и инфракрасных передатчиков непосредственно в растительные материалы. На выбросы влияют различные факторы, такие как температура, определяющая скорость испарения и роста, и солнечный свет, определяющий скорость биосинтеза. Выбросы происходят почти исключительно из листьев, в частности, через устьица. ЛОС, выделяемые наземными лесами, часто окисляются гидроксильными радикалами в атмосфере; в отсутствие загрязнителей NOx фотохимия ЛОС регенерирует гидроксильные радикалы, поддерживая устойчивый баланс между биосферой и атмосферой. В связи с недавними изменениями климата, такими как потепление и усиление УФ-излучения, прогнозируется увеличение выбросов биогенных ЛОС растениями, что нарушит взаимодействие биосферы и атмосферы и нанесет ущерб основным экосистемам. Важным классом ЛОС является класс терпенов, таких как мирцен. Чтобы представить масштаб, лес площадью, равной штату Пенсильвания в США, по оценкам, выбрасывает терпены в типичный августовский день в период вегетации. Исследования механизмов индукции генов, производящих летучие органические соединения, и последующего увеличения содержания летучих терпенов были проведены на кукурузе с использованием (Z)-3-гексенола и других растительных гормонов.

Летящие органические соединения в помещениях

Концентрация ЛОС в воздухе внутри помещений может быть в 2–5 раз, а иногда и значительно выше, чем на открытом воздухе. Особенно высокие уровни выделения ЛОС наблюдаются в новых зданиях из-за большого количества новых материалов (строительных материалов, комплектующих, отделочных и декоративных покрытий, таких как клеи, краски и герметики), контактирующих с воздухом в помещении и выделяющих множество летучих органических соединений. Это выделение подчиняется многоэкспоненциальной зависимости во времени, проявляющейся в течение как минимум двух лет: наиболее летучие соединения распадаются с временной константой в несколько дней, а наименее летучие – в несколько лет. Новым зданиям может потребоваться интенсивная вентиляция в течение первых нескольких месяцев или проведение процедуры "выпекания". В существующих зданиях могут появляться новые источники ЛОС, такие как новая мебель, товары народного потребления и переделка внутренних поверхностей, что приводит к постоянному фоновому выбросу общего количества ЛОС и требует улучшения вентиляции. Кроме того, продукты, выделяющие ЛОС, используемые в помещениях, например строительные изделия и мебель, исследуются в камерах эмиссионных испытаний в контролируемых климатических условиях. Для контроля качества этих измерений проводятся межлабораторные сравнения, поэтому идеально подходят воспроизводимо выделяющие вещества в качестве референсных материалов. Эти методы не зависят от адсорбционных свойств материалов, таких как Tenax.

Регулирование выбросов летучих органических соединений в помещениях

В большинстве стран для оценки качества воздуха в помещениях используется отдельное определение ЛОС, охватывающее каждое органическое химическое соединение, измеримое посредством адсорбции из воздуха на Tenax TA, термической десорбции и газохроматографического разделения на 100% неполярной колонке (диметилполисилоксан). ЛОС (летучие органические соединения) – это все соединения, обнаруживаемые в газовой хроматограмме между и включая n-гексан и n-гексадекан. Соединения, выходящие раньше, классифицируются как VVOC (сверхлетучие органические соединения), а соединения, выходящие позже – как SVOC (слаболетучие органические соединения). Франция, Германия (AgBB/DIBt), Бельгия, Норвегия (регламент TEK) и Италия (CAM Edilizia) ввели нормативные акты, ограничивающие выбросы ЛОС из коммерческой продукции. Европейская промышленность разработала множество добровольных экологических знаков и систем классификации, таких как EMICODE, M1, Blue Angel, GuT (для текстильных напольных покрытий), Nordic Swan Ecolabel, EU Ecolabel и Indoor Air Comfort. В Соединенных Штатах существует несколько стандартов, наиболее распространенным из которых является Калифорнийский стандарт CDPH, раздел 01350. Эти нормативные акты и стандарты изменили рыночную ситуацию, что привело к увеличению числа продуктов с низким уровнем выбросов.

Риски для здоровья

Дыхательные, аллергические или иммунные эффекты у младенцев и детей связаны с антропогенными летучими органическими соединениями (ЛОС) и другими загрязнителями воздуха в помещениях и на улице. Некоторые ЛОС, такие как стирол и лимонен, могут реагировать с оксидами азота или с озоном, образуя новые продукты окисления и вторичные аэрозоли, которые могут вызывать симптомы сенсорного раздражения. ЛОС способствуют образованию тропосферного озона и смога. Воздействие ЛОС может привести к раздражению глаз, носа и горла, головным болям, потере координации, тошноте, а также к повреждению печени, почек и центральной нервной системы. Некоторые органические вещества могут вызывать рак у животных, другие подозреваются или доказано вызывают рак у людей. К основным признакам и симптомам, связанным с воздействием ЛОС, относятся раздражение конъюнктивы, дискомфорт в носу и горле, головная боль, аллергическая кожная реакция, затрудненное дыхание, снижение уровня холинэстеразы в сыворотке крови, тошнота, рвота, носовое кровотечение, усталость и головокружение. Способность органических химических веществ вызывать неблагоприятные последствия для здоровья значительно варьируется – от высокотоксичных до веществ, не оказывающих известного воздействия на здоровье. Как и в случае с другими загрязнителями, степень и характер воздействия на здоровье зависят от множества факторов, включая уровень и продолжительность воздействия. Раздражение глаз и дыхательных путей, головные боли, головокружение, нарушения зрения и ухудшение памяти – это некоторые из немедленных симптомов, которые испытывают некоторые люди вскоре после воздействия определенных органических веществ. В настоящее время недостаточно данных о последствиях для здоровья, связанных с уровнями органических веществ, обычно встречающихся в жилых помещениях.

Поглощение

В то время как их концентрации незначительны по сравнению с концентрациями в воздухе в помещениях, бензол, толуол и метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) были обнаружены в образцах грудного молока и повышают общую концентрацию ЛОС, которым мы подвергаемся в течение дня. В одном исследовании отмечается разница между ЛОС в альвеолярном выдыхаемом воздухе и вдыхаемом воздухе, что указывает на то, что ЛОС попадают в организм с пищей, метаболизируются и выводятся внелегочным путем. ЛОС также попадают в организм с питьевой водой в различных концентрациях. Некоторые концентрации ЛОС превышали Национальные первичные нормы для питьевой воды, установленные Агентством по охране окружающей среды США (EPA), и национальные стандарты питьевой воды Китая, установленные Министерством экологии и окружающей среды.

Кожное поглощение

Наличие ЛОС в воздухе и грунтовых водах стимулировало проведение дополнительных исследований. Было проведено несколько исследований для оценки влияния дермального всасывания конкретных ЛОС. Кожный контакт с ЛОС, такими как формальдегид и толуол, приводит к снижению уровня антимикробных пептидов на коже, включая кателицидин LL-37, β-дефензин человека 2 и 3. Ксилен и формальдегид усугубляют аллергическое воспаление в моделях на животных. Толуол также усиливает нарушение регуляции филаггрина – ключевого белка, участвующего в регуляции кожи. Это было подтверждено иммунофлуоресцентным анализом для подтверждения потери белка и вестерн-блоттингом для подтверждения потери мРНК. Эксперименты проводились на образцах человеческой кожи. Воздействие толуола также снижает содержание воды в трансэпидермальном слое, что повышает уязвимость слоев кожи.

Предельные значения выбросов летучих органических соединений

Предельные значения выбросов летучих органических соединений (ЛОС) в воздух помещений опубликованы организациями AgBB, AFSSET, Департаментом здравоохранения штата Калифорния и другими. Эти нормативные требования побудили ряд компаний в лакокрасочной и клеевой промышленности адаптировать свою продукцию, снижая содержание ЛОС. Маркировка и программы сертификации, касающиеся ЛОС, могут не учитывать все ЛОС, выделяемые продуктом, включая некоторые химические соединения, важные для качества воздуха в помещениях. Каждая унция колоранта, добавляемого для тонирования краски, может содержать от 5 до 20 граммов ЛОС. Однако для получения темного цвета может потребоваться от 5 до 15 унций колоранта, что приводит к добавлению 300 или более граммов ЛОС на галлон краски.

Летние органические соединения в медицинских учреждениях

Летучие органические соединения также обнаруживаются в больницах и учреждениях здравоохранения. В этих условиях эти химические вещества широко используются для очистки, дезинфекции и поддержания гигиены различных помещений. Таким образом, медицинские работники, такие как медсестры, врачи, санитарный персонал и другие, могут испытывать неблагоприятные последствия для здоровья, например, астму; однако для определения точных уровней воздействия и факторов, влияющих на него, требуется дальнейшая оценка. Исследования показали, что концентрации различных ЛОС, таких как галогенированные и ароматические углеводороды, существенно различаются в разных зонах одной и той же больницы. Однако в одном из этих исследований было установлено, что основными соединениями внутри здания были этанол, изопропанол, эфир и ацетон. Аналогичным образом, в исследовании, проведенном в Соединенных Штатах, было установлено, что санитарные работники наиболее подвержены воздействию этанола, а специалисты по подготовке медицинского оборудования – 2-пропанола. В исследовании, проведенном во Франции, группа исследователей разработала онлайн-анкету для различных учреждений социального и гериатрического ухода, в которой задавались вопросы о методах уборки, используемых продуктах и частоте проведения этих работ. В результате было выявлено более 200 химических веществ, из которых 41 известно, что они оказывают негативное воздействие на здоровье, 37 из которых являются ЛОС. Воздействие на здоровье включает в себя сенсибилизацию кожи, репродуктивную и органоспецифическую токсичность, канцерогенность, мутагенность и способность нарушать работу эндокринной системы.

Отбор проб

Получение образцов для анализа является сложной задачей. Летучие органические соединения (ЛОС), даже при достижении опасных концентраций, обычно присутствуют в разбавленном состоянии, поэтому требуется предварительная концентрация. Многие компоненты атмосферы несовместимы друг с другом, например, озон и органические соединения, пероксиацилнитраты и многие органические соединения. Кроме того, сбор ЛОС путем конденсации в холодных ловушках приводит к накоплению значительного количества воды, которую, как правило, необходимо избирательно удалять в зависимости от используемых аналитических методов. Для анализа выдыхаемого воздуха применяются следующие способы отбора проб: газовые мешки, шприцы, эвакуированные стальные и стеклянные контейнеры. Количественное определение и идентификация ЛОС осуществляется двумя основными методами. Главный метод – газовая хроматография (ГХ). Приборы ГХ обеспечивают разделение газообразных компонентов. При сочетании с детектором ионизации пламени (FID) ГХ может обнаруживать углеводороды в диапазоне частей на триллион. С использованием детекторов электронного захвата ГХ также эффективна для определения органогалогенидов, таких как хлороуглероды. Вторым основным методом, используемым для анализа ЛОС, является масс-спектрометрия, которая обычно сочетается с ГХ, образуя гибридный метод ГХ-МС. Методы прямой инжекции масс-спектрометрии часто используются для быстрого обнаружения и точного количественного определения ЛОС. PTR-MS является одним из наиболее широко используемых методов для онлайн-анализа биогенных и антропогенных ЛОС. Известно, что приборы PTR-MS, основанные на масс-спектрометрии временипролетного типа, достигают пределов обнаружения 20 pptv за 100 мс и 750 ppqv за 1 минуту времени измерения (интегрирования сигнала). Массовое разрешение этих приборов составляет от 7000 до 10500 м/Δm, что позволяет разделять и независимо количественно определять большинство распространенных изобарических ЛОС.

Химическая обработка отпечатков пальцев и анализ дыхания

Выдыхаемый человеческий воздух содержит несколько тысяч летучих органических соединений и используется в биопсии выдыхаемого воздуха для выявления в качестве биомаркера ЛОС при диагностике таких заболеваний, как рак легких. Одно исследование показало, что "летучие органические соединения в основном переносятся с кровью и, следовательно, позволяют отслеживать различные процессы в организме". И, по-видимому, ЛОС в организме "могут образовываться в результате метаболических процессов или поступать из внешних источников путем ингаляции/абсорбции", таких как табачный дым. Химическое профилирование и анализ выдыхаемого воздуха на содержание летучих органических соединений также были продемонстрированы с использованием массивов химических сенсоров, которые применяют распознавание образов для определения отдельных летучих органических соединений в сложных смесях, таких как дыхательная смесь.

Метрология для измерений ЛОС

Для обеспечения сопоставимости измерений ЛОС необходимы эталонные стандарты, прослеживаемые к единицам СИ. Для ряда ЛОС газообразные эталонные стандарты доступны у поставщиков специальных газов или национальных метрологических институтов в виде баллонов или с использованием методов динамического генерирования. Однако для многих ЛОС, таких как кислородсодержащие ЛОС, монотерпены или формальдегид, нет стандартов с подходящей концентрацией из-за химической реакционной способности или адсорбции этих молекул. В настоящее время несколько национальных метрологических институтов работают над созданием отсутствующих стандартных газовых смесей в следовых концентрациях, минимизируя процессы адсорбции и совершенствуя состав нулевого газа.