5

Радиоактивные источники и альтернативные технологии в стерилизации

В этой главе описываются принципы (раздел 5.1) и использование радиоактивных источников и альтернативных технологий в стерилизации. Рассматриваемые области применения включают стерилизацию медицинских устройств и изделий для удаления микроорганизмов (раздел 5.2), облучение продуктов питания и сельскохозяйственной продукции для удаления вредных бактерий и различных микроорганизмов и насекомых, а также для продления срока годности (раздел 5.3) и стерилизацию вредителей для контроля их размножения (раздел 5.4). Ссылки на конкретные технологии и в некоторых случаях на конкретные коммерческие продукты и производителей не обязательно означают или подразумевают их одобрение комитетом.

5.1 ПРИНЦИПЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ

Облучение в целях стерилизации обычно осуществляется с использованием одного из трех источников: гамма-лучи (кобальт-60), ускорители пучка электронов и ускорители, генерирующие рентгеновские лучи для облучения. Подлежащие стерилизации материалы обычно укладываются на конвейер, который перемещает их с контролируемой скорость из зоны загрузки в зону обработки, где они облучаются, а затем возвращаются в зону выгрузки. Стерилизация гамма-лучами, электронными лучами и рентгеновскими лучами в целом аналогична с точки зрения передачи энергии и взаимодействия с веществом (см. приложение F). Основные различия заключаются в разных параметрах, связанных с мощностью дозы, временем воздействия, глубине проникновения и совместимости продуктов.

Гамма-лучи от источника кобальта-60 подаются разнонаправленно, в то время как электронные лучи и фотоны рентгеновского излучения высокой энергии направляются на облучаемый продукт. Следовательно, если исходить из одинакового потока электронов и гамма-лучей, мощности дозы электронного луча гораздо выше мощностей дозы гамма-лучей, что приводит к значительному сокращению времени воздействия (секунды против минут или часов) и большей пропускной способности. Проникновение рентгеновских лучей с высокой энергией, используемых для стерилизации, сравнимо с проникновением гамма-лучей. Следовательно, обработки имеют сравнимую однородность, обычно выражаемую соотношением между максимальной и минимальной дозами (отношение однородности дозы или DUR), предусмотренными в конфигурации облучения. Это облегчает как соблюдение дозы, необходимой для стерилизации, так и поддержание дозы ниже максимальной величины, переносимой продуктом.

Проникающая способность электронов меньше, чем проникающая способность гамма-лучей. Однако это не означает, что стерилизация электронным пучком ограничена в применении к продуктам с низкой плотностью или меньшим размером. Многие продукты могут быть удовлетворительно стерилизованы электронным пучком с допустимым DUR посредством переупаковки продуктов в отдельные коробки для снижения необходимости в большой глубине проникновения. Это отличается от обработки рентгеновским излучением, при которой продукты могут обрабатываться в массе непосредственно на поддонах, и обработки с помощью гамма-излучения, при которой продукты обычно обрабатываются

в контейнерах. Дополнительные стратегии, такие как воздействие на продукт с двух сторон с помощью двойных пучков электронов, могут помочь добиться требуемых доз стерилизации всего продукта с приемлемой максимальной дозой.

Оборудование для облучения, которое используется для стерилизации, может эксплуатироваться на договорной основе или интегрироваться в производственную линию производителя (собственное оборудование). Большинство объектов для облучения представляют собой договорное оборудование, предназначенное для определенной продукции, но обеспечивают гибкость и адаптируются к нуждам клиентов. Таким образом, договорное оборудование для облучения может использоваться для стерилизации в разных целях, и дозы корректируются в зависимости от обрабатываемой продукции (см. типовые требования к дозам при стерилизации в таблице 5.1). Меньшая часть оборудования для стерилизации представляет собой собственное оборудование, то есть оно принадлежит и эксплуатируется компанией, которая также является поставщиком облученного продукта. На мировом рынке контрактного облучения доминируют две компании, Steris и Sterigenics, которые вместе контролируют примерно 85 процентов рынка стерилизации. Дочерней компанией Sterigenics является Sotera Health, которой также принадлежит Nordion, крупнейший в мире поставщик кобальта-60. Рынок стерилизации, особенно медицинских устройств, работает с задействованием почти всей мощности¹, но производства, для которых требуется это оборудование, растут.

Традиционно кобальт-60 является самым распространенным радиоизотопом в промышленной стерилизации. Высокоактивные (1–5 МКи [37–185 ПБк]) промышленные облучатели обычно используются для стерилизации медицинских устройств, поскольку они могут доставлять высокие дозы и достигать большой пропускной способности. Высокоактивные облучатели также могут использоваться для других областей применения, включая обеззараживание упаковки, косметики, фармацевтической продукции, игрушек и, реже, в фитосанитарной области и для техники стерилизации насекомых (SIT). Специальной конфигурацией промышленных облучателей высокой активности является панорамный облучатель. Панорамные облучатели обладают наивысшей общей активностью из всех радиоактивных источников. Примерно 98 процентов активности источников гражданского назначения в Соединенных Штатах находятся в форме кобальта-60, в основном благодаря высокой активности этих излучателей (NRC, 2008). Панорамные облучатели используются в основном для стерилизации одноразовых медицинских изделий и устройств (около 70 процентов использования), но они также применяются для стерилизации другой продукции.

Внутри панорамного облучателя источники кобальта-60 располагаются плоской решеткой площадью несколько квадратных метров. Отдельные гранулы кобальта помещаются в стальные стержни, так называемые «карандаши», которые располагаются в стойке, удерживающей их на плоскости. Облучаемый продукт остается в оригинальной упаковке на поддоне или помещается в картонные коробки, которые вставляются в контейнеры. Чтобы наиболее эффективно использовать гамма-фотоны и сделать распределение дозы как можно более равномерным, конвейерная система окружает источник с обеих сторон и продукт движется на нескольких уровнях в несколько проходов. В отведенном состоянии источник экранируется водой (влажное хранение) или экраном из свинца или других подходящих материалов (сухое хранение). Поскольку фотоны излучаются во всех направлениях, в среднем только около 30 процентов излучаемой энергии попадает на продукт (МАГАТЭ, н. д.). Облучение продуктов происходит в изолированном бункере, который как правило представляет собой кожух с толстыми бетонными стенками для защиты работников от радиации.

Большинство промышленных облучателей низкой активности (~1 МКи [37 ПБк]) используются для облучения пищевой продукции, поскольку для этой области применения обычно требуются низкая доза и пропускная способность. Облучатели с низкой активностью также могут доставлять дозы, подходящие для других целей стерилизации, но с меньшей скоростью.

В следующих разделах приводится некоторая информация о конкретных технологиях и тенденциях в различный областях стерилизации.

ТАБЛИЦА 5.1 Типовое облучение и мощность дозы

ИСТОЧНИК: использовано и пересмотрено на основе данных МАГАТЭ 2006 г.

___________________

¹ Nordion отметил в недавнем официальном документе (Nordion, 2021), что есть некоторые возможности для роста обрабатывающих мощностей, примерно на 50 процентов, на уже существующих гамма-объектах.

5.2 СТЕРИЛИЗАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Рынок медицинских устройств в Соединенных Штатах оценивается в 156 миллиардов долларов и растет на 5-7 процентов в год² из-за увеличения спроса на существующие медицинские устройства и доступности новых изделий. Многие одноразовые устройства после изготовления необходимо стерилизовать. Ежегодные темпы роста рынка стерилизации медицинских устройств США примерно такие же, как у рынка медицинских устройств. Глобальные тенденции в стерилизации медицинских изделий сходны с тенденциями в Соединенных Штатах. Спрос на стерилизацию одноразового медицинского оборудования увеличился в 2020 году из-за пандемии COVID-19 и потребности в одноразовых компонентах для наборов для тестирования и вакцин.

Хотя стерилизация составляет небольшой процент стоимости производства медицинских устройств, она считается жизненно важным этапом обработки в ходе производства медицинских изделий и напрямую влияет на возможность продажи продукта. Многие медицинские устройства и другие изделия разработаются и производятся с выбранным способом стерилизации. Любое изменение в процессе стерилизации требует корректировки конструкции изделия и повторной валидации изделия и упаковки, а также самого процесса стерилизации. Крупные производители медицинских изделий (около 20 процентов всего рынка) используют свои собственные мощности для стерилизации, а также прибегают к услугам стерилизации по договору, предоставляемым третьими сторонами. Более мелкие производители заказывают стерилизацию.

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) требует стерилизации всех инвазивных медицинских и стоматологических изделий, включая шприцы, хирургические перчатки, искусственные суставы и имплантируемые изделия, такие как ортопедические устройства и сердечные клапаны. Кроме того, многие одноразовые материалы (например, трубки, мешки и фильтры), используемые в производстве фармацевтической продукции и вакцин, должны быть стерилизованы с использованием утвержденного метода и процесса. В целом, согласно требованиям FDA инвазивные медицинские изделия должны иметь уровень обеспечения стерильности (SAL) 10^-6.³ SAL неинвазивных медицинских изделий ниже, 10^-3 или вероятность 1 к1 000 найти одно нестерильное изделие. Все три способа облучения (гамма-излучение, электронные лучи и рентгеновское излучение) признаны согласно применимому стандарту Международной организации по стандартизации (ISO) 11137, поэтому перенос дозы стерилизации между этими тремя методами широко признается. Тем не менее, FDA не признает эквивалентность трех методов с точки зрения биосовместимости.

Текущее распределение методов стерилизации, используемых в медицинской промышленности, с точки зрения распространенности составляет 50 процентов газовой фумигации оксидом этилена (EtO), 40 процентов гамма-облучения кобальтом-60, 10 процентов облучения электронным пучком и менее одного процента других способов (включая рентгеновское излучение). Таким образом, облучение гамма-лучами продолжает доминировать на рынке стерилизации облучением (около 80 процентов от всех методов стерилизации), за ним следует электронное облучение (около 20 процентов) и только небольшая дола рентгеновского излучения. Некоторые общие преимущества и слабые стороны этих методов представлены в таблице 5.2.

5.2.1 Радиоизотопные технологии

Кобальт-60 использовался для стерилизации медицинских изделий с 1960-х годов. Накоплены как существенные знания о его влиянии на уменьшение количества микроорганизмов для предотвращения заболеваний и изменения свойств материалов, так и значительный опыт его использования. Оборудование, которое используется для стерилизации на основе кобальта-60, отличается простотой использования и, в целом, надежно. Важно отметить, что производители медицинских устройств имеют опыт работы с требованиями для проверки этого метода стерилизации для новых продуктов.

Во всем мире существует примерно 200 крупных объектов гамма-облучения в более чем 50 странах, которые по большей части используются для стерилизации медицинских изделий. Схематическое представление объекта для стерилизации гамма-излучением показано на рисунке 5.1. На этих объектах по подсчетам установлено 400 мегакюри (МКи) кобальта-60,⁴ но, согласно недавнему официальному документу Nordion, лицензированные мощности превышают 600 МКи, что означает, что еще есть некоторое пространство для роста на существующих облучателях (Nordion, 2021). В том же официальном документе признается, что текущий спрос на кобальт-60 превышает предложение примерно на 5 процентов (Nordion, 2021). Nordion инвестирует в расширение своих мощностей для производства кобальта-60 в существующих и потенциальных новых реакторах для удовлетворения текущего и прогнозируемого спроса.

___________________

² Кэфлин Хоффман, Sotera Health Services, LLC, выступление перед комитетом 13 октября 2020 г.

³ Это означает, что вероятность нахождения нестерильной единицы составляет 1 к 1 миллиону.

⁴ В Соединенных Штатах находится немногим более 50 процентов общих установленных мощностей для стерилизации с использованием кобальта-60 на 50 коммерческих объектах для облучения.

5.2.2 Альтернативные технологии

Как отмечалось ранее, облучение электронным пучком, рентгеновским излучением и фумигация EtO — методы, используемые в настоящее время для стерилизации медицинских изделий. Эти методы не обязательно являются полностью взаимозаменяемыми. Плюсы и минусы этих методов резюмируются в таблице 5.2 и рассматриваются в следующих разделах.

Облучение электронным пучком

Сегодня около 75 объектов для использования электронных пучков высокой энергии во всем мире расположены в 12 странах, и примерно 15–20 объектов для использования электронных пучков предназначены для стерилизации медицинских изделий (IIA, 2017) в Соединенных Штатах. Схематическое представление объекта для облучения электронным пучком показано на рисунке 5.2. Около 10 процентов стерилизации одноразовых медицинских изделий выполняется с помощью электронных лучей. Это недостаточное использование, вероятно, связано с тем, что требуются существенные капиталовложения для перехода на эту технику и затратные исследования эквивалентности, которые должны быть проведены, для того чтобы FDA и регуляторы в других странах признали эквивалентность гамма-стерилизации с точки зрения биосовместимости.

Использование электронного луча в стерилизации за последнее десятилетие быстро выросло (Sugden, 2019). По данным одного источника, с 2005 по 2015 год в среднем устанавливалось 4 системы на основе электронного луча в год, а с 2016 по 2019 это число выросло до примерно 12 систем в год. Основываясь на различных прогнозных сценариях, можно предположить, что еще от 200 до 400 систем на основе электронного луча может быть установлено в течение следующих 10 лет.⁵ Ожидается, что использование электронного луча в стерилизации будет расти из-за давления, оказываемого для замены облучения кобальтом-60 и EtO, а также усовершенствования технологии ускорителей.

Традиционные линейные ускорители, которые используются для промышленной стерилизации, работают при нормальных температурах окружающей среды. Радиочастотная энергия, которую они используют, индуцирует электрические токи на поверхности ускоряющих резонаторов, которые генерируют тепло и рассеивают часть энергии, подаваемой в резонатор. Эта генерация тепла вынуждает ускорители работать в импульсном режиме с мгновенной мощностью при импульсной частоте 100–500 Гц, но с низкой средней мощностью. Рассеивание энергии означает, что общая энергетическая эффективность обычно составляет менее 50 процентов.

___________________

⁵ Электронная переписка между Кристофом Мэлисом, IBA, и Уранией Кости, Национальные академии, от 1 февраля 2021 г.

Сверхпроводящие линейные ускорители используются в исследовательской науке в таких местах, как национальные лаборатории. Эти ускорители рассеивают очень небольшую часть подводимой энергии в виде тепла. Результатом этого является то, чтоб общая эффективность может составлять 80 процентов и более. Кроме того, выходной луч может быть непрерывным. Это позволяет получать лучи с более высокой средней мощностью, чем у обычных линейных ускорителей, и может позволить преодолеть неэффективность процесса тормозного излучения для получения полезных рентгеновских лучей. Сверхпроводящие линейные ускорители в настоящее время находятся на уровне технологической готовности 4, но разрабатываются для коммерческого применения.

Сегодня два основных поставщика ускорителей для стерилизации — это Mevex и IBA Industrial. Mevex производит традиционные линейные ускорители. Линейный ускоритель может генерировать электронный пучок или может использоваться с системой преобразования рентгеновских лучей, расположенной в конце системы сканирования, для преобразования электронов в рентгеновские лучи. IBA разработал ускоритель, Rhodotron®, который многократно рециркулирует пучок по диаметру тороидального ускоряющего резонатора. После каждого пересечения магнит преломляет пучок примерно на 190 градусов для другого пересечения, создавая траекторию, напоминающую лепестки цветка. Когда пучок достигает 7,5 или 10 мегаэлектрон вольт (МэВ), он выходит из ускорителя и направляется на облучение продукта. Каждое из положений реверсивного магнита дает возможность для выхода луча. IBA также разработал систему Rhodotron® Duo, в которой используются преимущества регуляторных пределов рентгеновских лучей (7,5 МэВ) и электронов (10 МэВ). Rhodotron® Duo имеет выходной порт при каждой из этих энергий посредством отдельных линий пучка и поэтому позволяет отдельному ускорителю поставлять как рентгеновские, так и электронные лучи одновременно.

Рентгеновская технология

Ускорители, которые используются в качестве источников фотонов высокой энергии (1–10 МэВ), могли бы стать более непосредственной заменой гамма-излучения, поскольку проникновение радиации в этих двух методах аналогично. Однако, как указывается в приложении F, стерилизация с использованием рентгеновских лучей неэффективна. Для генерации 15 киловатт (кВт) мощности рентгеновского излучения требуется по крайней мере 120 кВт мощности электронного луча. Потребность в прочных, надежных и мощных электронных пучках была основным фактором задержки внедрения рентгеновских лучей для стерилизации.

Системы стерилизации рентгеновскими лучами имеются в продаже, но их использование ограничено. Схематическое представление объекта для стерилизации рентгеновскими лучами показано на рисунке 5.3. На рентгеновские технологии в настоящее время приходится менее 1 процента объема стерилизации медицинских изделий. В официальном документе 2016 года, опубликованном IBA, одним из крупнейших поставщиков ускорителей, были проанализированы различия между рентгеновским и гамма-облучение для стерилизации (Dethier, 2016). IBA утверждает, что дилемма «яйца и курицы» задерживает внедрение рентгеновского облучения, поскольку производители медицинских изделий неохотно переходят на эту технологию из-за отсутствия действующих мощностей для рентгеновского облучения, в то

время как поставщики услуг стерилизации не инвестировали в оборудование для рентгеновского облучения из-за отсутствия спроса со стороны производителей медицинских изделий, что привело к застою на рынке. Анализ IBA показал, что рентгеновское облучение может быть конкурентоспособным по стоимости с гамма-облучением, особенно для уровней активности, превышающих 1,4 MCi (51,8 ПБк) (Dethier, 2016). Более поздний анализ бюджетных инвестиций и операционных расходов для объекта стерилизации медицинских изделий на основе гамма-облучения и рентгеновского облучения показал, что затраты (начальное капиталовложение и операционные издержки первого года) для рентгеновского объекта составили около 17 миллионов долларов, что в 2,5 раза ниже, чем затраты на объект для гамма-облучения.⁶ Комитет не проверял точность этих анализов. Если они точны, текущая стоимость кобальта-60 снизила показатель конкурентоспособности на цене до 1 МКи. Дополнительным потенциальным эксплуатационным преимуществом оборудования с электронным пучком является возможность развертывания электронного пучка на линии производства продукции до упаковки продукции в коробку. Это даст существенное потенциальной преимущество использования электронного луча, которое невозможно при использовании гамма-облучения.

В г. Деникен, Швейцария, установка для стерилизации рентгеновскими лучами действует с 2012 года. На этом объекте электронный пучок Rhodotron® мощностью 700 кВт имеет фиксированную танталовую мишень с водяным охлаждением для преобразования ускоренных электронов в рентгеновские лучи. Однако наличие только одной рентгеновской установки создавало проблемы для увеличения числа клиентов из-за проблем с непрерывностью бизнеса в случае прерывания процесса. Совсем недавно поставщики услуг по стерилизации объявили о своем намерении инвестировать в рентгеновские установки. В 2019 и 2020 гг. компания Steris AST, которая владеет и эксплуатирует установку в Деникене, объявила о своем намерении открыть дополнительные объекты для рентгеновского облучения в Германии, Малайзии, Нидерландах и Таиланде, а также три в Соединенных Штатах. Кроме того, в 2019 году Steri-Tek добавила рентгеновские лучи к своим существующим услугам с использованием электронного луча во Фремонте, Калифорния. Компания так же объявила о строительстве нового объекта, в том числе с рентгеновскими лучами, в Далласе, Техас. Захватит ли рентгеновская технология значительную долю рынка гамма- или электронно-лучевых технологий для стерилизации медицинских устройств, будет зависеть от ряда факторов, включая рост рынка.

Газовая фумигация оксидом этилена и другие методы

В Северной Америки около 50 процентов стерилизации одноразовых медицинских изделий выполняется с помощью газовой фумигации EtO. Газовая фумигация EtO включает воздействие на упакованные изделия на поддоне в воздухонепроницаемой и увлажненной камере, которая может быть разных размеров, вплоть до 70 м³. Газообразный оксид этилена подходит для стерилизации медицинских устройств и других изделий, которые не могут обрабатываться ионизирующим излучением и с помощью других методов из-за их размеров, формы, сложности или состава материалов. Эти продукты включают катетеры, внутривенные трубки, эндотрахеальные и ангиографические баллоны. Однако существуют требования по снижению уровней выбросов и остаточного газа, остающегося на стерилизованных изделиях, образующихся в процессе фумигации EtO. Ожидается, что Агентство по охране окружающей среды выпустит предложение по стандартов выбросов для коммерческой стерилизации с помощью EtO в 2021 г. Это предложение может привести к тому, что больше продуктов, которые в настоящее время стерилизуются EtO, будут стерилизованы другими способами, включая облучение.

Существуют другие варианты стерилизации медицинских устройств. Например, пар и сухое тепло используются для стерилизации продукции в течение десятилетий, но высокие температуры, используемые в этих методах, не позволяют применять эту обработку для многих чувствительных к нагреву материалов. Испарения перекиси водорода и диоксида азота появляются как альтернатива EtO, и некоторые коммерческие компании начинают предлагать эти методы как часть своих услуг по стерилизации.

5.2.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Растущая озабоченность доступностью источников кобальта-60, выбросы и остаточные уровни EtO наряду с другими факторами побуждают поставщиков медицинского оборудования искать альтернативные технологии для удовлетворения потребности в стерилизации медицинских изделий. Несколько представителей отрасли, выступивших перед комитетом, а также другие эксперты, прогнозируют, что использование стерилизации посредством облучения электронным пучком и рентгеновскими лучами возрастет, чтобы покрыть рыночной спрос, который, вероятно, не будет покрываться гамма-облучением. Комитет согласен с общим заключением в предыдущем отчете, что новые установки для облучения электронным пучком продолжат открываться и, кроме того несколько рентгеновских облучателей также будут установлены в ближайшем будущем (IAEA, 2019a). Комитет не ожидает полного перехода на альтернативные

___________________

⁶ Переписка между Cherenkov Consulting S.C. и Уранией Кости, Национальные академии, от 10 марта 2021 г.

технологии для стерилизации в последующее десятилетие. Вместо этого ожидается, что все основные методы стерилизации медицинских изделий — гамма-облучение, электронный пучок, рентгеновское излучение и EtO — будут способствовать повышению надежности рынка.

Переход с гамма-облучения на облучение с помощью электронного луча и рентгеновского излучения для стерилизации теоретически не представляет трудностей, поскольку все они являются одобренными методами стерилизации, признанными действующими стандартами (ISO 11137). Тем не менее, стерилизация с использованием гамма-излучения на основе кобальта-60 за несколько десятилетий привела к тому, что был накоплен обширный опыт и данные о характеристиках материалов. Этой информации недостаточно для характеристик тех же материалов после стерилизации с помощью электронного луча и рентгеновских лучей. Производители, рассматривающие возможность внедрения альтернативной технологии, должны определить совместимость материала и устойчивость альтернативных технологий, а также провести исследования для повторной валидации для обеспечения эквивалентности стерилизации и отсутствия изменений материалов. Для этого может потребоваться подача новых предварительных заявок 510(k) или дополнений к предварительным заявкам в зависимости от нормативной классификации продукта и конструкции продукта или других необходимых изменений. Также, поскольку многие продукты продаются по всему миру, требуется несколько одобрений. Нет единообразия в международных правилах или, что обязательно, в знаниях и осведомленности различных регулирующих органов об альтернативных методах стерилизации. Повторная валидация является длительным процессом, который может занять годы и может представлять собой существенный риск для бизнеса. Рынки здравоохранения обычно избегают рисков из-за возможных прямых последствий, которые могут иметь изменения установленных процессов для здоровья людей.

Чтобы помочь решить проблему недостатка информации, описанную выше, Pacific Northwest National Laboratories при поддержке Национальной администрации по ядерной безопасности (NNSA) координировали проект сотрудничества с участием представителей отрасли стерилизации медицинских устройств, направленный на сбор данных о характеристиках гамма-облучения, облучения электронным пучком и рентгеновского облучения для широкого спектра медицинских изделий (Fifield et al., 2019). Команда, известная как Team Nablo,⁷ использовала два прототипа коммерческих устройств, которые в настоящее время стерилизуются гамма-излучением кобальта-60, и облучила их четырьмя дозами, соответствующими стерилизации. Изделия, которые выбрали для анализа, включали компоненты из шести разных полимерных материалов, широко используемых в производстве медицинских изделий, и были протестированы на предмет изменения функции и цвета. Команда заключила, что методы с использованием электронного луча и рентгеновского излучения являются жизнеспособными альтернативами гамма-излучения кобальта-60 (Fifield et al., 2021). Это успешное сотрудничестве и другие предпринимаемые командой усилия приведут к получению совместно проанализированных данных, которые требуются для подачи заявок в регулирующие органы, и станут моделью для будущих сравнительных исследований.

Переход с гамма-облучения на альтернативные технологии также требует существенной модификации объекта с ожидаемыми высокими издержками на модернизацию. Эти издержки варьируются в зависимости от того, конвертируется ли существующий объект для использования кобальта-60 на альтернативную технологию, строится новый объект для облучения кобальтом-60 или альтернативной технологии облучения или планируется параллельная работа с добавлением альтернативной технологии на существующем объекте для облучения кобальтом-60. NNSA поручила Sandia National Laboratories (Sandia) проанализировать затраты, преимущества и проблемы, связанные с эксплуатацией промышленной установки панорамного гамма-облучателя по сравнению с заменой нерадиотопным облучателем. Исследование проводится поэтапно и должно завершиться летом 2021 года. По завершении исследования Sandia предоставит NNSA отчет со стратегией принятия решений, позволяющей предприятию проанализировать, могут ли альтернативные технологии быть жизнеспособным вариантом. В отчете также будут содержаться извлеченные выводы для будущих усилий по внедрению альтернативных технологий.⁸

5.3 ОБЛУЧЕНИЕ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ

Облучение пищевой продукции может осуществляться в целях безопасности или фитосанитарной обработки. У этих двух различных процессов и целей есть некоторые общие элементы, и по этой причине они рассматриваются вместе в этом разделе.

Цель обработки для пищевой безопасности заключается в уменьшении передачи заболеваний через пищу, продление срока службы продуктов, предотвращение прорастания и замедление процесса созревания. Целью фитосанитарной обработки является защита местного урожая от вредителей, переносимых через границы вместе с импортируемыми фруктами, овощами и другой пищевой продукцией. В свежих фруктах и овощах может быть множество вредителей, которые, если их не контролировать должным образом, могут широко распространиться, что приведет к экономическим потерям. Наиболее распространенными насекомыми, вызывающими озабоченность при перевозке свежих продуктов,

___________________

⁷ В память о Сэмюэле В. Набло, который хорошо известен в области обработки облучением.

⁸ Джоди Либерман, Sandia National Laboratories, выступление перед комитетом 25 февраля 2021 г.

являются плодовые мухи, бабочки и моль, а также мучнистые червецы. Целью фитосанитации является не уничтожение, а прекращение развития или размножения любых вредителей, которые могут переноситься продуктами. Поскольку смертность не всегда является целью обработки, могут быть обнаружены живые вредные организмы-мишени. Поэтому важно, чтобы обработка гарантировала, что они не могут размножаться. Обработка продуктов в фитосанитарных целях может проводиться в стране происхождения, в месте назначения или при транзите.

Наиболее распространенным методом обработки пищевой продукции в целях безопасности является нагрев (пастеризация). Другие методы включают обработку высоким давлением и новые технологии, включая обработку импульсным полем и ультрафиолетом. Использование облучения для пищевой безопасности одобрено в 40 странах, но его применение остается очень ограниченным с существенными различиями по странам в отношении его приемлемости. Китай является крупнейшим потребителем облученной пищевой продукции, где в настоящее время облучением обрабатывается более 1 миллиона тонн продуктов питания в год: рост по сравнению с 600 000 тонн в 2015 году (MeiXu, 2021). Однако даже в Китае, где облучение пищевой продукции приемлемо, оно все еще используется только в нишевых областях, например, для обработки маринованных куриных продуктов, специй и обезвоженных овощей.

Множество продуктов питания одобрены для облучения FDA в Соединенных Штатах, включая говядину, свинину, мясо птицы, ракообразные, свежие фрукты и овощи, яйца в скорлупе, специи и соусы. Однако в настоящее время в Соединенных Штатах облучается очень небольшое количество пищевой продукции, прежде всего из-за непринятия облученных продуктов населением (см. раздел 5.3.3). То же самое относится к Европе, где облучение пищевых продуктов снизилось за последние два десятилетия. Самой большой категорией облучаемых пищевых продуктов в Соединенных Штатах являются специи. Облученные пищевые продукты также дают в больницах пациентам с нарушениями иммунитета из-за болезни или лечения, а также астронавтам для предотвращения попадания заболеваний с пищей в космос.

Самым распространенным методом фитосанитарной обработки в Соединенных Штатах является фумигация химикатами, например, бромистым метилом (около 95 процентов). Другие методы, такие как нагревание (44–48°C), охлаждение (0–2°C) и облучение вместе составляют оставшиеся 5 процентов. Тепловая обработка, облучение и фумигация применяются до транспортировки пищевых продуктов или по прибытии и обычно проводятся максимум за несколько часов. Обработка холодом обычно применяется при транзите, поскольку, чтобы быть эффективной, она должна длиться от 12 до 22 дней. Надлежащий метод фитосанитарной обработки и протокол этого метода зависят от вредителя и пищевого продукта. Облучение останавливает развитие вредителей; другие методы убивают вредителей (Hallman, 2007).

Вне зависимости от пищевого продукта или области применения FDA регулирует использование радиации на пищевой продукции как пищевую добавку (в отличие от физического процесса), а надзор за его использованием осуществляется совместно с Министерством сельского хозяйства США (USDA). Согласно FDA гамма-излучение (с использованием кобальта-60 или цезия-137), рентгеновское излучения и электронное излучения одинаково безопасны и эффективны для одобренной обработки пищевой продукции облучением, включая как применение для снижения количества патогенов, так и фитосанитарной обработки (USDA, 2016). FDA также определяет требования к маркировке облученных пищевых продуктов с помощью международного символа Radura для облучения вместе с соответствующим заявлением на этикетке пищевых продуктов. Продукты без упаковки, такие как мясо, яйца, фрукты и овощи, должны быть помечены символом Radura. Однако FDA не требует, чтобы отдельные ингредиенты в многокомпонентных пищевых продуктах, таких как специи, были маркированы таким образом.

Фитосанитарные требования для импорта и региональных перевозок в США определяются Министерством сельского хозяйства США и реализуются Службой инспекции здоровья животных и растений Министерства сельского хозяйства США (APHIS) совместно с государственными партнерами. В стране существует более 150 объектов для фитосанитарной обработки, сертифицированных Министерством сельского хозяйства США в Соединенных Штатах и за рубежом. Из них только три импортирующих предприятия (два с использованием электронных луча и одно с использованием кобальта-60) используют радиацию в фитосанитарных целях. Есть также одно предприятие, использующее кобальт-60, и одна рентгеновская установка для обработки региональных грузов. Во всем мире Министерству сельского хозяйства США принадлежит восемь предприятий для использования кобальта-60 и одно предприятие для использования электронного луча. Помимо США, страны, которые дезинфицируют импортируемые свежие продукты с помощью облучения, — это Австралия, Индонезия, Малайзия, Мексика, Новая Зеландия и Вьетнам.

Фитосанитарные требования для экспорта из США обычно определяются двусторонними соглашениями между США и странами-импортерами или многосторонними торговыми соглашениями. Каждая страна имеет собственные утвержденные дозы, хотя большинство следуют руководящим принципам Международных стандартов по фитосанитарным мерам (SPM 18 и 28) (FAO и IPPC, 2019).

5.3.1 Радиоизотопные технологии

Для облучения пищевой продукции минимальная поглощаемая доза должна быть достаточной для достижения цели применения (безопасность пищевой продукции или фитосанитарная обработка), и максимальная поглощенная доза не должна влиять на пользу для здоровья, структурную целостность, запах и вкус. В ISO 14470 (2011) содер-

жатся требования по разработке, валидации и текущему контролю обработки пищевой продукции с использованием ионизирующего облучения. Дозы, которые используются для облучения с целью обеспечения пищевой безопасности, выше, чем дозы, используемые для фитосанитарной обработки. Доза ниже 2 килогрей (кГр) используется для задержки прорастания овощей и старения фруктов. Дозы от 1 до 10 кГр используются для уменьшения уровней патогенных организмов, как при стерилизации. Дозы свыше 10 кГр используются для достижения стерильности (аналогично консервированию) или для обеззараживания определенных пищевых ингредиентов, таких как специи.

При санитарной обработке наиболее часто используемой дозой общего назначения является доза 400 Гр, однако некоторые признаки свидетельствуют о том, что это выше необходимого для данной цели (Hallman and Blackburn, 2016). Эта общая доза специфична для категории насекомых (например, плодовых мух), но не специфична для пищевого продукта, что упрощает применяемый протокол по сравнению с другими фитосанитарными обработками.

Большинство пищевых и сельскохозяйственных продуктов, обрабатываемых облучением, обрабатываются на предприятиях, использующих гамма-излучение кобальта-60.⁹ Эти предприятия обычно являются не специализированными, а универсальными, и используются в первую очередь для стерилизации медицинских изделий. На недавнем симпозиуме¹⁰ было заявлено, что использование гамма-облучения для пищевой продукции связано с проблемами безопасности, экономическим трудностями и проблемой доступности; что универсальные предприятия обычно оптимизированы для стерилизации медицинских изделий и что технология плохо изучена для тех стран, где вопрос пищевой безопасности все еще не решен. Результатом этого является то, что строится все меньше установок с кобальтом-60 для облучения пищевой продукции. Например, в Китае, было около 130 установок на основе кобальта-60 в 2019 году, обрабатывающих от 70 до 80 процентов облученных продуктов питания (MeiXu, 2021). За последние 5 лет не построено ни одного нового предприятия. Вместо этого, как было отмечено в разделе 5.3.2, Китай инвестирует в установки с использованием электронного луча, и в последние 5 лет каждый год строилось 5-10 новых объектов. Тем не менее, новые объекты для гамма-облучения были недавно завершены во Вьетнаме¹¹ и Индии.¹²

5.3.2 Альтернативные технологии

Тепловая обработка и химические добавки часто используются для целей обеспечения безопасности и фитосанитарной обработки пищевой продукции, а пар и EtO используются для специй и некоторых продуктов питания. Например, консервированные продукты подвергаются стерилизации для продажи посредством обработки продуктов, помещенных в паровую камеру, насыщенным паром под давлением. Гибель микробов происходит в зависимости от множества факторов, включая время и температуру обработки, а также свойств термостойкости организма-мишени.

Фумигация бромистым метилом с большим отрывом является самым распространенным методом фитосанитарной обработки в США. Несмотря на повышенные регуляционные издержки в последние несколько десятилетий, этот метод остается очень эффективным по цене и может использоваться на простых объектах. Основным недостатком фумигации бромистым метилом является то, что этот химикат давно признан веществом, сильно разрушающим озоновый слой, и его использование в некритических целях было прекращено в результате международных договоренностей. Хотя фитосанитарные виды использования после сбора урожая были освобождены от этих ограничений на неопределенный срок, сохраняется внутреннее и международное давление, направленное на сокращение его использования по причинам, связанным с охраной здоровья, окружающей среды и безопасности труда. Результатом этого стало то, что USDA активно поощряет использование альтернативных технологий, включая ионизирующее облучение, для фитосанитарных видов обработки, где это целесообразно (Pillai et al., 2014). Коммерческая доступность систем повторного улавливания и разработка процессов для удержания, уничтожения или повторного использования бромистого метила после использования с целью уменьшения негативного воздействия не изменили позицию Министерства сельского хозяйства США в отношении данного вида обработки.

Главный недостаток обработки холодом в фитосанитарных целях заключается в требовании длительных процедур, которые обычно применяются после упаковки во время транспортировки на большие расстояния. Относительно длительные периоды обработки также могут представлять собой бизнес-риск в случае перебоев в подаче электроэнергии или отказов оборудования. Для некоторых продуктов прерывание обработки, ведущее к повышению температуры всего на 1°C даже на короткое время, может потребовать начать процесс с начала. Скорость фитосанитарной обработки нагретым воздухом варьируется в зависимости от широкого спектра факторов, включая продукт и упаковку продукта, размер и конструкция установки, а также влажность воздуха в месте расположения объекта. Обработка горячим воз-

___________________

⁹ См. http://www-naweb.iaea.org/nafa/fep/crp/fep-xray-application-food-irradiation.html.

¹⁰ Международный симпозиум по облучению пищевой продукции, 9–11 марта 2021 г.

¹¹ См. https://iiaglobal.com/news/offer-irradiation-services-expanding-vietnam.

¹² См. https://iiaglobal.com/news/more-gamma-irradiators-in-india.

духом — одна из самых сложных фитосанитарных обработок, поскольку на ее эффективность могут влиять многие переменные. Например, более быстрая обработка с принудительной подачей воздуха может повредить обрабатываемые товары, в то время как более медленные обработки могут не сработать, если вредители смогут адаптироваться к повышающейся температуре с помощью «белков теплового шока».

Методы обработки электронным пучком и рентгеновскими лучами могут эффективно использоваться как для обеспечения безопасности пищевой продукции, так и для фитосанитарных целей. В Соединенных Штатах верхний предел для обработки электронным пучком пищевой продукции составляет 10 МэВ, а для рентгеновской обработки — 7,5 МэВ. За пределами США предел для обработки электронным пучком также равен 10 МэВ, но в большинстве стран максимально доступная энергия для рентгеновской обработки составляет 5 МэВ. В нескольких других странах, например, в Канаде, Индии, Индонезии и Корейской республике также разрешено использование рентгеновских лучей 7,5 МэВ для облучения продуктов питания. Повышение от 5 до 7,5 делает использование рентгеновской технологии более экономичным и также обеспечивает большую пропускную способность.

Применения технологии электронного луча в пищевой промышленности можно в общих чертах разделить на три вида использования: низкоэнергетические (<1 МэВ), среднеэнергетические (1–8 МэВ) и высокоэнергетические (8–10 МэВ) виды применения. Текущие низкоэнергетические виды применения включают стерилизацию на линии упаковочных материалов, а также дезинфекцию и стерилизацию на линии поверхностей семян. Среднеэнергетические применения включают фитосанитарную обработку упакованных фруктов и овощей. Применения с высокой энергией включают облучение для обеспечения пищевой безопасности специй, упакованного мяса, морепродуктов и других продуктов питания.

В 2014 году Организация по продуктам питания и сельскому хозяйству ООН (FAO) и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) инициировали Проект координированного исследования (ПКИ) с целью ускорения развития и облегчения внедрения практических технологий для облучения продуктов питания и сельскохозяйственной продукции с помощью электронного луча и рентгеновского излучения. Результаты проекта ожидаются в июне 2021 года.¹³ Кроме того, Объединенный отдел ядерных методов в производстве продовольствия и ведении сельского хозяйства ФАО/МАГАТЭ в сотрудничестве с Отделом физических и химических наук МАГАТЭ запустил новый пятилетний (2020–2025 годы) ПКИ под названием «Инновации в радиационной обработке пищевых продуктов с использованием пучков малой энергии из машинных источников». В сентябре 2020 г. в рамках Азиатско-тихоокеанского соглашения о региональном сотрудничестве, включающем 22 правительства, МАГАТЭ также запустил проект «Продвижение облучения пищевой продукции с использованием технологии электронного пучка и рентгеновской технологии для повышения пищевой безопасности, надежности и стимулирования торговли. Целью этого проекта является решение проблемы зависимости облучения пищевой продукции от объектов гамма-облучения с использованием кобальта-60 и продвижение альтернативных технологий облучения.

5.3.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Облучение еще не заняло значительного места в ряде видом обработки пищевой продукции. Принятие потребителями по-прежнему считается основной проблемой при внедрении этого метода в области безопасности пищевых продуктов. Следовательно, потенциал технологии в уменьшении передаваемых через продукты питания заболеваний и потерь после сбора урожая по большей части не используется. Использование облучения для предотвращения распространения инвазивных насекомых-вредителей — единственная недавняя разработка в направлении расширения облучения пищевых продуктов.

В целом, мировая торговля продуктами питания, обработанными облучением для фитосанитарных целей, увеличилась с примерно 5 000 тонн в 2007 году до более чем 45 000 тонн в 2019 году (Hénon, 2021). Большая часть роста в последние годы приходится на страны, которые либо нуждаются в облученных продуктах для своего внутреннего рынка, либо видят возможность развития рынков за рубежом. Примеры: Австралия, Индия, Таиланд и Вьетнам. Вероятно, облучение для фитосанитарных целей в этих и других странах продолжит увеличиваться в ближайшие годы.

Хотя распространение случаев заболеваний, вызванных пищевой продукцией, среди населения в странах с низким и среднем уровнем доходов (СНСД) неравномерно, маловероятно, что облучение пищевой продукции будет использоваться во многих этих странах. Например в Африке, за исключением Египта и ЮАР, нехватка ресурсов и базовой инфраструктуры препятствует использованию технологий для облучения пищевой продукции в масштабах, при которых оно было бы эффективным. Другие меры требуют более неотложного внимания, чем облучение, для повышение пищевой безопасности в африканских странах, включая улучшение условий обращения, транспортировки и хранения пищевой продукции.

___________________

¹³ См. https://www.iaea.org/projects/crp/d61024.

Облучение пищевой продукции имеет доказанные практические преимущества, когда оно используется для целей пищевой безопасности и фитосанитарной обработки. В фитосанитарной обработке метод, используемый производителями определенного продукта, зависит от нескольких ограничений: он должен эффективно удалять или нейтрализовать вредителя, который является мишенью, оказывая минимальное негативное внимание на сам продукт, должен быть эффективным по затратам, приемлемым для окружающей среды и соответствовать конкретным требования для продукта в месте нахождения потребителя (Hallman, 2007). Облучение имеет несколько преимуществ по сравнению с другими видами фитосанитарной обработки. В то время как разработка протоколов тепла, холода и фумигации включает изучение каждой комбинации фруктовых вредителей, общие методы облучения могут быть разработаны для каждого вида вредителя независимо от товара (Hallman, 2011). Недостатки включают логистические сложности из-за ограниченной в настоящее время доступности технологии и отсутствия независимой оценки эффективности обработки, поскольку вредители могут быть найдены живыми после обработки при инспекции товара.

В связи с усилением ограничений на использование химических фумигантов странами-импортерами, использование фитосанитарного облучения увеличивается во всем мире.¹⁴ В Соединенных Штатах признается, что необходимы альтернативы бромистому метилу для использования в качестве фитосанитарных мер, отчасти в связи с тем, что в будущем возможны ограничения на использование бромистого метила. В Соединенных Штатах существуют планы введения в эксплуатацию четырех объектов для облучения в фитосанитарных целях: два в Техасе (один на электронных лучах и один рентгеновский), один в Южной Флориде (рентгеновский) и один в Нью-Джерси (рентгеновский или, возможно, на кобальте-60). Некоторые из этих объектов могут быть введены в эксплуатацию в ближайшие 3 года.¹⁵ В Австралии компания Steritech недавно открыла специализированную установку для производства гибридных электронных и рентгеновских лучей, одобренную для использования на различных рынках свежих продуктов и на экспортных рынках.

Самым крупным в мире инвестором в сфере облучения пищевой продукции является Китай. Страна инвестирует в использование электронного луча для облучения пищевой продукции в целях безопасности, устанавливая 5-10 новых машины в год в последние 5 лет. В 2019 году в стране было около 78 ускорителей электронного луча. Применение облучения пищевой продукции в целях безопасности переживает застой во многих частях света, включая США и Японию, а также снижается в Европе. Приводится несколько причин, объясняющих эти тенденции.

Во-первых, основным фактором, влияющим на использование облученных продуктов питания, является понимание и признание процесса населением. Хотя эксперты, в основном, согласны с тем, что облучение является эффективным способом предоставления безопасных продуктов потребителю (ВОЗ и др., 1981), производители и дистрибьюторы продуктов питания не спешат поставлять продукт, по отношению к которому существует общее негативное восприятие среди потребителей. Это восприятие включает озабоченность, связанную с тем, что облученная пищевая продукция приводит к тому, что еда становится радиоактивной и поэтому может вызывать рак, а также с тем, что облучение изменяет химический состав пищевой продукции и уменьшает пищевую ценность продукта питания (Castell-Perez and Moreira, 2021). FDA выпустило заявления, в которых указывается, что это негативное восприятие является ложным.¹⁶ Существуют некоторые свидетельства того, что, чем больше потребителей понимают использование облучения как эффективного способа предотвращения передачи заболеваний через продукты питания, тем выше вероятность того, что облученные продукты будут приниматься и покупаться (Castell-Perez and Moreira, 2021).

Во-вторых, имеет место отсутствие координации и гармонизации правил международной торговли. Комиссия «Кодекс Алиментариус» (или кодекс пищевой продукции) (Кодекс, 1984) рекомендовала унифицированные стандарты для облученных продуктов питания и международный практический кодекс эксплуатации установок для облучения, используемых для обработки пищевой продукции. Эти стандарты гласят, что облученные пищевые продукты должны сопровождаться отгрузочными документами, в которых указывается облучатель, дата обработки, идентификация партии, доза и другие детали обработки. Международная консультативная группа по облучению пищевых продуктов (ICGFI), созданная под эгидой ФАО, Всемирной организации здравоохранения и МАГАТЭ, работала с 1982 по 2004 год над гармонизацией стандартов облучения пищевых продуктов во всем мире. В рамках своей деятельности ICGFI составила сборник национальных нормативных актов, издала свод правил облучения различных пищевых продуктов и предложила разрешить облучение по классам пищевых продуктов, что является общим утверждением, упрощающим торговлю.

В-третьих, в настоящее время облучение продуктов питания в основном выполняется на заказ универсальными центрами обработки облучением в местах, в которых может обслуживаться большое количество потенциальных клиентов, предлагающими свои услуги на договорной основе большому количеству компаний. Эта модель услуги по облучению продуктов питания в целом считается неблагоприятной для расширения этого вида применения из-за затрат, связанных с доставкой продуктов питания на объект и медленным товарооборотом (около 4 дней), что может отрицательно влиять на сам продукт. Было высказано предположение, что частные инвестиции в аппараты с использованием электронного луча и рентгеновского излучения для встраивания в производственную или упаковочную линию могут изменить отношение к облучению продуктов питания в отрасли (Pillai, 2021).

___________________

¹⁴ Лаура Джефферс, USDA, выступление перед комитетом 6 января 2021 г.

¹⁵ Электронная переписка между Лаурой Джефферс, USDA, и Уранией Кости, Национальные академии, от 26 января 2021 г.

¹⁶ См. https://www.fda.gov/food/buy-store-serve-safe-food/food-irradiation-what-you-need-know.

В-четвертных, считается, что маркировка облученных продуктов оказывает негативное влияние на принятие облученных продуктов питания. Облучение пищевой продукции активно использовалось в Европе, особенно в Бельгии, Франции и Нидерландах, но быстро пошло на спад после введения в 1999 году нормы Европейского Союза (ЕС), требующей строгой маркировки облученных продуктов.¹⁷ В частности, облучение продаваемых продуктов питания во Франции достигло 20 000 тонн в 1998 году, но резки снизилось до 3 000 в 2005 г. (Kume et al., 2009). В 2018 году ЕС в рамках системы лучшего регулирования инициировал оценку того, остается ли Директива 1999 года актуальной и эффективной.

5.4 СТЕРИЛИЗАЦИЯ НАСЕКОМЫХ

SIT предназначается для контроля вредителей, которые могут повреждать урожай и другие растения, путем стерилизации самцов вредителей. При этом применяются дозы облучения, достаточные для того, чтобы сделать их бесплодными, но не ослабляя их, чтобы они все еще могли соревноваться с дикими самцами за спаривание. При выпуске в достаточном количестве облученные самцы вредителей уменьшают популяцию путем спаривания с самками, которые не производят потомства (см. рисунок 5.4). Стерильные насекомые с одного объекта могут быть доставлены в другие страны для контроля вредителей.

Поздняя стадия куколки обычно предпочтительнее для облучения, потому что с куколками более практично обращаться и перевозить их и легче достичь приемлемого баланса между конкурентоспособностью и бесплодием. По прибытии в место назначения облученные куколки или взрослые особи должны быть одобрены национальными фитосанитарными и таможенными органами. Стерильные насекомые должны соответствовать принятым на международном уровнем стандартам контроля качества и рабочих процедур (FAO et al., 2019). Перед выпуском стерильные насекомые выходят из стадии куколки, кормятся и созревают, а затем загружаются в транспортные средства для выпуска с воздуха или земли. Режимы охлаждения и ограничения доступа кислорода используются для увеличения срока хранения облученных куколок и взрослых особей во время транспортировки без снижения продолжительности жизни и способности самцов действовать в полевых условиях.

SIT используется против относительно небольшого количества видов насекомых, включая муху Нового Света, муху цеце, различные плодовые мухи и некоторых мотыльков. Как известно, SIT не находит широкого применения для контроля москитов с целью устранения переносимых ими заболеваний, таких как лихорадка денге и малярия, из-за сложности облучения самцов без снижения их конкурентоспособности при спаривании и выживаемости (Lees et al., 2015). Кроме того, стадия куколки москитов короткая, поэтому их нельзя транспортировать на большие расстояния. Вместо этого нужно обрабатывать и выпускать комаров на месте. Глобальное сотрудничество в развитии SIT для

___________________

¹⁷ Рамочная директива 1999/2/EC охватывает процесс, маркировку и условия для разрешения облучения пищевых продуктов, а в Директиве по реализации 1999/3/EC перечисляются продукты и ингредиенты, разрешенные для обработки ионизирующим излучением.

контроля комаров усилилось после эпидемии Зика в 2015–2016 годах. Новая техника, которую поддержал МАГАТЭ в сотрудничестве с ФАО, включает сочетание SIT и техники несовместимых насекомых¹⁸ для подавления популяции комаров. Успешные результаты были опубликованы в других источниках (Zheng et al., 2019).

Для SIT агаметическая стерильность (без производства гамет) не предназначена и не используется, поскольку важно, чтобы сперматозоиды действительно производились. Если стерильные самцы будут неспособны производить сперму, конкуренция в спаривании с самками, вероятно, приведет к тому, что фертильная сперма победит (отсутствующую) сперму стерильных самцов. Это приведет к тому, что почти все или все яйца самок, спаривающихся несколько раз, будут оплодотворены немодифицированной, то есть жизнеспособной, спермой, если только все самцы не будут стерильными (Alphey et al., 2006).

С SIT связаны две основные проблемы: (а) снижение работоспособности из-за радиации и (б) разделение по половому признаку. При (а) возникает поражение радиацией как соматических, так и зародышевых клеток, поэтому доза облучения, необходимая для стерилизации, также снижает производительность стерилизованных самцов насекомых, делая их менее эффективными (Parker и Mehta, 2007). Для компенсации этой потери производительности требуется выращивать и выпускать больше стерилизованных насекомых, что связано с большими затратами (Alphey, 2016). В случае (b) для большинства насекомых-вредителей не существует практических средств крупномасштабного разделения полов, однако высвобождение только мужской популяции желательно по двум причинам. Прежде всего, самки могут повреждать фрукты, даже если они были стерилизованы, таким образом приводя к ущербу, который программа контроля призвана уменьшить. Во-вторых, если самцов и самок выпускают вместе, самцы могут ухаживать за стерильными самками и, следовательно, не искать диких самок так эффективно, как если бы они были выпущены без стерильных самок (Alphey et al., 2006). Стерильные выпуски только самцов средиземноморской плодовой мухи увеличили эффективность подавления популяции в 3-5 раз по сравнению с выпуском самцов и самок во время крупномасштабных полевых испытаний (Rendón et al., 2004).

Гамма-лучи, рентгеновские лучи и электронный луч действуют во многом сходным образом для стерилизации насекомых: ионизированное излучение нарушает нормальную клеточную функцию вредителей путем разрушения химических связей в ДНК и других биологических молекулах (Barkai-Golan and Follett, 2017; Follett, 2014; Hallman and Blackburn, 2016). Это повреждение может быть прямым, поскольку электроны удаляются из биологических молекул, таких как ДНК, РНК и белки, или косвенным, из свободных радикалов, образующихся во время ионизации молекул воды в биологических системах.

На февраль 2021 года в Директории МАГАТЭ программ SIT (DIR-SIT)¹⁹ содержалось более 50 программ МСН в 26 странах, и обновление ожидалось позднее в этом году. В большинстве программ МСН используется гамма-излучение кобальта-60. МСН на основе гамма-излучения может проводиться на стерилизационных объектах с использованием панорамных облучателей или небольших автономных облучателей с сухим хранением; большинство этих объектов являются специализированными учреждениями, используемыми только для целей МСН.²⁰ Крупнейшая программа с использованием гамма-излучения развернута в Гватемале и может производить 3 миллиарда стерильных самцов в неделю, преимущественно для использования в Соединенных Штатах (Калифорнии и Флориде), Гватемале и Мексике. Большинство объектов для гамма-облучения намного меньше по размерам и облучают менее 200 миллионов насекомых в неделю. На одном объекте, в Испании, используется электронный пучок, и производительность объекта составляет 500 миллионов насекомых в неделю. В настоящее время используется около 10 рентгеновских излучателей, большинство из них — для недавно созданных программ борьбы с комарами. Наблюдается увеличение количества рентгеновских излучателей по сравнению с четырьмя 4 года назад. Анализ активности (кобальта-60) или мощности (электронного луча и рентгеновского излучения) обрабатывающих мощностей, перечисленных в базе данных DIR-SIT МАГАТЭ, и количества насекомых, обрабатываемых на этих мощностях (то есть размер программы), демонстрирует, что альтернативные технологии могут использоваться в программах МСН независимо от их размера.

5.4.1 Радиоизотопные технологии

В стандартном методе МСН используются гамма-лучи, чаще всего получаемые из кобальта-60. В некоторых программах также используется цезий-137. В обычных самоэкранированных облучателях камера для образца окру-

___________________

¹⁸ В этом методе выпущенные самцы инфицированы передаваемыми по материнской линии эндосимбиотическими бактериями Wolbachia, в результате чего у стерильных самцов, спаривающихся со свободными самками, не зараженными тем же штаммом Wolbachia, возникает явление, известное как цитоплазматическая несовместимость.

¹⁹ См. https://nucleus.iaea.org/sites/naipc/dirsit/SitePages/World-Wide%20Directory%20of%20SIT%20Facilities%20(DIR-SIT).aspx.

²⁰ По данным комитета единственной программой, в которой в настоящее время используется объект для облучения на контрактной основе, является испанская программа для средиземноморской мухи.

жена несколькими стержнями или «карандашами» радиоизотопа. Мощность дозы камеры определяется активностью источника, а доставляемая насекомым поглощаемая доза контролируется путем регулировки времени воздействия. Представитель МАГАТЭ, который выступил перед комитетом, отметил, что использование кобальта-60 в МСН является надежным методом, но связано с двумя проблемами.²¹ Во-первых, в 2008 году Nordion прекратил производство Gammacell 220, источника, чаще всего использовавшегося для облучения насекомых с целью стерилизации, что вызвало озабоченность в отношении доступности мелкомасштабных облучателей в будущем, которые используются в ряде проектов МСН. Сегодня по крайней мере две компании, Foss Therapy Services и Institute of Isotopes Company, производят устройства для гамма-облучения, подходящие для МСН. Foss Therapy Services также разработала процедуры и инструменты, необходимые для проведения перезагрузки Gammacell 220 производства Nordion в полевых условиях. Во-вторых, растущие логистические трудности, связанные с транспортировкой радиоизотопов через международные границы, все больше усложняют перезагрузку существующих источников и закупку новых.

5.4.2 Альтернативные технологии

Рентгеновские лучи (диапазон энергии от 150 до 250 кВ) могут быть подходящей заменой радиоактивных источников для небольших программ МСН, которые облучают менее 100 миллионов насекомых в неделю. Испытания рентгеновских аппаратов примерно в 2008 году в Лаборатории борьбы с насекомыми-вредителями Лаборатории сельского хозяйства и биотехнологии ФАО/МАГАТЭ в Зайберсдорфе, Австрия, выявили проблемы с надежностью рентгеновской трубки (IAEA, 2012a). Более новая рентгеновская трубка второго поколения (см. раздел 4.1.2) не испытывалась в этой лаборатории. По мнению одного эксперта, улучшения в области облучения крови при использовании рентгеновской трубки второго поколения также отразятся на МСН, поскольку принцип облучения в этих двух областях сходный.²² Нет достаточного практического опыта, чтобы сделать выводы о надежности недавно установленных рентгеновских аппаратов. Однако общепризнано, что надежность остается проблемой, и рентгеновское оборудование требует частого обслуживания и ремонта. Как отмечалось в главе 4, источник рентгеновского излучения с плоской панелью производства Stellarray также предназначается для МСН (см. рисунок 5.5). Эта новая технология может увеличить производительность и улучшить распределение дозы, делая рентгеновскую технологию подходящей альтернативой МСН с использованием гамма-излучения.

Несмотря на то, что электроны с высокой энергией (от 5 до 10 МэВ) могут использоваться для стерилизации насекомых, они не являются подходящей альтернативной для большинства программа МСН, которые обычно отличаются малыми масштабами, из-за высоких затрат и большого размера установки для генерации электронного луча. RadiaBeam Systems, малый бизнес, финансируемый NNSA в рамках программы Small Business Innovation Research, создает недорогой компактный линейный ускоритель на 3 МэВ в качестве источника излучения для автономного облучателя для МСН и других целей. Целью компании является производство более компактного и дешевого линейного ускорителя, который мог бы работать в средах с нестабильным электропитанием. В настоящее время компания создает прототип, который планирует испытать в Лаборатории по контролю насекомых-вредителей МАГАТЭ. По крайней мере две другие компании, Mevex и Nuctech (Китай), также ставят своей целью производство сходных компактных систем ускорителя для МСН.

___________________

²¹ Руи Кардосо Перейра, МАГАТЭ, выступление перед комитетом 28 января 2021 г.

²² Переписка между Эндрю паркером, МАГАТЭ (в отставке), и Уранией Кости, Национальные академии, от 19 февраля 2021 г.

Генетические методы

Альтернативой для МСН являются современные генетические методы. Эти методы обычно подразделяются на две отдельные категории: (а) подавление, ограничение или уничтожение популяции; (b) трансформация или замена популяции. Первая категория преследует те же цели, что и МСН, и это единственная категория, рассматриваемая в этом разделе. Вторая категория преследует цель уменьшения или блокировки способности насекомых переносить болезнь, не допуская чрезвычайной ситуации в пустой экологической нише. Поскольку цель этого генетического метода отличается от цели МСН, здесь он не рассматривается.

Подавление, сдерживание или искоренение популяции направлено на сокращение или даже уничтожение определенных видов насекомых путем разработки генов, которые (условно) смертельны или делают насекомое неспособным к размножению. Для этих целей исследуются различные системы и возможные гены. Одна система, «Выпуск насекомых, несущих доминантную летальность» (RIDL), работает путем передачи комбинации трансгенов, вызывающей у потомства доминантную эмбрионоспецифичную летальность (Alphey et al., 2006). Создаются мощные стерильные насекомые со способностью стерильных самцов производить и передавать конкурентоспособную сперму. Эта доминантная летальность может быть подавлена путем добавления тетрациклина в рацион личинок, что позволяет выращивать такие штаммы. Это позволяет создавать конкурентоспособных стерильных насекомых, которые могут передавать конкурентоспособные сперматозоиды, несущие трансген, диким самкам. Эмбрионы, продуцируемые самками, несут доминирующий трансген, и в отсутствие добавления тетрациклина эмбрионы погибают (Schetelig et al., 2007). Биотехнология RIDL была разработана в Oxitec (филиале Оксфордского университета) и применялась для борьбы с лихорадкой денге. Ученые Oxitec генетически модифицировали Aedes aegypti, носитель лихорадки денге, создав запатентованный продукт RIDL штамма A. aegypti OX513A. Несмотря на разные мнения об этом подходе (Gene Watch UK, 2012), полевые испытания были проведены на Каймановых островах, в Малайзии и Бразилии (Servick, 2016). В рамках пилотной программы будет выпущено 750 миллионов генетически модифицированных комаров на Флорида-Кис в 2021 году (Wilcox, 2021).

Выбор пола (генетическое определение пола) был достигнут с помощью аналогичной доминантной, подавляемой тетрациклином генетической летальной системы, которая работает, убивая особей (самок), несущих летальную систему, если она не отключена репрессором тетрациклина (Thomas et al., 2000). Лабораторные исследования по выбору пола с использованием этой техники, в том числе на мухах Нового Света, были успешными. Кроме того, было добавлено кодирование на маркерный ген, содержащий флюоресцентные белки. Это позволяет сразу отличить трансгенное насекомое от дикого типа. Ведущий штамм в этом исследовании несет вставку гена, которая очень эффективно убивает самок, если присутствует в двух копиях, и штамм выращивается без репрессора. Если штамм выращивается без репрессора, выживают только самцы (Concha et al., 2016).

Использование систем подавляемой летальности также имеет потенциал в отношении генетического сдерживания. В настоящее время объекты массового разведения для МСН разводят большое количество насекомых-вредителей, которые становятся полезными только после стерилизации. Крупномасштабное высвобождение этих насекомых перед стерилизацией или насекомых, не облученных до должного уровня, может привести к большим экономическим потерям. Это можно смягчить путем использования репрессируемой летальной генетической системы, потому что насекомые получают репрессорное химическое вещество только в помещении для разведения (Alphey et al., 2006).

5.4.3 Соображения по внедрению альтернативных технологий

Переход с гамма-облучения на другие методы для МСН необходим в связи с проблемами, связанными с приобретением и транспортировкой радиоактивных источников для стерилизации насекомых, как описано в разделе 5.4.1. Более 10 лет назад эксперты прогнозировали, что по этим причинам эра мелкомасштабных гамма-облучателей для программ МСН заканчивается и эти облучатели будут заменены рентгеновскими аппаратами (Mastrangelo et al., 2010). Комитет заключает, что использование электронного луча или рентгеновского излучения для МСН реалистично, хотя этого еще не происходит. Тем не менее, полное внедрение этих технологий в крупномасштабных программах МСН потребует улучшений в том, что касается надежности, затрат и равномерности дозы.

Вероятно, что большинство панорамных облучателей в обозримом будущем будут продолжать работать для предоставления услуг для крупномасштабных программ МСН. Однако растущий интерес и спрос на разработку и применение МСН против комаров-переносчиков, вероятно, повысят спрос на дальнейшую разработку источников рентгеновского излучения, которые могут использоваться небольшими местными программами МСН.

Использование генетически модифицированных насекомых для контроля вредителей является сложной темой, вызвавшей бурное обсуждение в обществе. В результате исследований в контексте генной инженерии комаров для контроля заболеваний было установлено, что от 60 до 70 процентов взрослого населения в Соединенных Штатах

положительно относятся к освобождению модифицированных комаров (Funk and Hefferon, 2018; Winneg et al., 2018). В 2016 году организация Florida Keys Mosquito Control District провела необязательный референдум среди жителей округа Монро в рамках предлагаемого пробного выпуска генетически модифицированного комара A. aegypti, разработанного Oxitec. Пятьдесят семь процентов жителей проголосовали за испытание, но 65 процентов жителей пригорода, в котором должен был состояться выпуск, высказались против (Servick, 2016). Несколько повторяющихся комментариев по этой теме включали мнения о том, что генетически модифицированные комары могут переносить новые патогены, вредные для людей и животных, что в окружающую среду будет добавлен новый тип комаров, а также что документально подтверждены ограниченные результаты испытаний. Вероятно, что для того, чтобы завоевать доверие общества и признание использования генетически модифицированных комаров, все эти проблемы необходимо будет решать государственным органам, регулирующим органам и выборным должностным лицам.

5.5 ГЛАВА 5 «ВЫВОД»

Вывод 13: постепенный переход на альтернативные технологии осуществляется в области стерилизации. Использование технологий электронного луча для стерилизации медицинских устройств увеличилось за последние 10–15 лет как в стране, так и за рубежом, и ожидается продолжение роста в ответ на растущий спрос в этой области применения. Несколько компаний также объявили о планах открыть новые мощности для стерилизации рентгеновскими лучами. Альтернативные технологии для других областей применения стерилизации, включая облучение продуктов питания для обеспечения безопасности и фитосанитарной обработки, а также стерилизацию насекомых, также получают все большее распространение в качестве полноценной замены радиоактивных источников во многих странах.

В США рынок стерилизации медицинских изделий растет примерно на 5-7 процентов в год. Текущая распространенность методов стерилизации, используемых в медицинской промышленности составляет 50 процентов газовой фумигации EtO, 40 процентов облучения кобальтом-60, 10 процентов облучения электронным пучком и менее 1 процента других способов (включая пар и рентгеновское облучение). Эти методы не обязательно являются полностью взаимозаменяемыми. Использование электронного луча в стерилизации быстро увеличивалось в последнее десятилетие и ожидается, что оно будет расти из-за давления, оказываемого для замены облучения кобальтом-60 и EtO, а также усовершенствования технологии ускорителей. С 2005 по 2015 год в среднем устанавливалось 4 системы на основе электронного луча в год, а с 2016 по 2019 это число выросло до примерно 12 систем в год. Основываясь на различных прогнозных сценариях, можно предположить, что еще 200–400 систем на основе электронного луча может быть установлено в течение следующих 10 лет. Системы стерилизации рентгеновскими лучами имеются в продаже, но их использование ограничено. По крайней мере две компании объявили о планах открыть новые мощности для стерилизации рентгеновскими лучами.

Несмотря на отношение в обществе и другие проблемы, связанные с облучением пищевой продукции для пищевой безопасности и фитосанитарных целей, в Соединенных Штатах и Европе, альтернативные технологии все больше распространяются в других точках земного шара. Самым крупным в мире инвестором в сфере облучения пищевой продукции является Китай. Страна инвестирует в использование электронного луча для облучения пищевой продукции в целях безопасности, сооружая 5-10 новых машин в год в последние 5 лет. Хотя распространение случаев заболеваний, вызванных пищевой продукцией, среди населения в СНСД неравномерно, маловероятно, что облучение пищевой продукции будет использоваться во многих этих странах. Например в Африке, за исключением Египта и ЮАР, нехватка ресурсов и базовой инфраструктуры препятствует использованию технологий для облучения пищевой продукции в масштабах, при которых оно было бы эффективным.

Рентгеновские технологии становятся все более приемлемой альтернативой гамма-облучению для МСН, при этом во многих проектах по всему миру эта технология используется для борьбы с региональными популяциями комаров.

This page intentionally left blank.