Лекции по РБ. Лекция 1 основные представления о радиоактивности строение атома
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
5.3. Внешние источники радиации земного происхождения Вторым источником естественного радиационного фона являются радионуклиды земного происхождения. В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы. Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро- и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек. В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений. Все естественные радионуклиды в зависимости от их происхождения можно разделить на 2 категории: радионуклиды земного происхождения и космогенные радионуклиды. Радионуклиды земного происхождения в свою очередь делятся на 2 группы. К первой группе относятся элементы, образующие три радиоактивные семейства – урана, тория, актиноурана и продукты их распада. К ним относятся 32 радионуклида урана-радиевого и ториевого рядов. Наиболее распространены в земной коре уран и торий. Природный уран, рассеянный в горных породах, относительно редко образует крупные месторождения, но общее его количество на Земле значительно большее, чем серебра или ртути. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: урана-238 (99,28%), урана-235 (0,71%) и урана-233 (0,006%). Распадаясь, каждый из названных тяжелых ядер рождает множество промежуточных, также радиоактивных ядер, так что образуется соответствующее семейство. Важнейшими из образованных 45 радионуклидов являются: уран-234, актиний-228, торий-230, радий-226, радон-222, полоний-210 и др. Эти промежуточные продукты в основном короткоживущие, они встречаются в виде примесей в месторождениях элементов – родоначальников семейств. Период полураспада колеблется от 3·10-7с (21284 Ро) до 2,5 х 105 лет (23492U). Конечными продуктами трех семейств являются стабильные изотопы свинца: Уран и торий в породах всегда сопровождают друг друга, концентрируясь преимущественно в гранитах. Однако в дальнейшем их пути расходятся, так как торий не образует растворимых соединений, а уран образует растворимые в сернокислых водах соединения. Торий и уран представляют собой перспективный материал для атомной промышленности. Запасы тория во много раз большие, чем урана-235. Ко второй группе естественных радионуклидов земного происхождения принадлежат радионуклиды, не входящие в радиоактивные семейства (11 долгоживущих радионуклидов: калий-40 с периодом полураспада 1,31х10-9лет, кальций-48 – 2х1016 лет, рубидий-87 – 6,15х1010 лет и др.). Наиболее распространенным является рубидий-87. Он составляет 27,8% природного элемента, но энергия его излучений небольшая (бета- частиц – 0,394 МэВ). Рубидий – антагонист калия. В некоторых растениях он накапливается в значительном количестве (1литр виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Калий является очень распространенным в литосфере (земной коре толщиной 15-70 км) и биосфере. Является типичным биологическим элементом. Природный калий состоит их трех изотопов (39К, 40К, 41К), из которых только калий-40 – радиоактивен. В земной коре содержится 2,6% калия. В свободном виде не встречается, так как очень химически активен (входит в состав полевых шпатов, слюды). Калий-40 вносит значительный вклад в радиационный фон. Эквивалентная доза за счет калия-40 составляет 0,3 мЗв/год (за счет внешнего облучения – 0,12 мЗв/год, внутреннего – 0,18 мЗв/год). Космогенные радионуклиды – образуются в результате ядерных реакций протонов и нейтронов, входящих в состав первичного и вторичного космического излучения, с ядрами элементов воздуха (N, O, Ar и др.). К космогенным радионуклидам относятся 14 изотопов – тритий, дейтерий, берилий-7, углерод-14, углерод-13, натрий-22, фосфор-32, фосфор-33,хлор-35 и др. 147N + 10n → 146C + 11H; 147N + 10n → 126C + 31H Полученные углерод-14 и тритий являются космогенными радионуклидами, поступая в организм, они являются источниками внутреннего облучения. Берилий-7, натрий-22,24 относятся к источникам внешнего облучения. 5.4. Искусственная радиоактивность В формировании фонового облучения существенную роль отыгрывают искусственные источники радиации. Явление искусственной радиоактивности открыто в 1934г супругами Жолио-Кюри, которые показали, что при бомбардировке альфа- частицами ядер легких элементов образуются другие элементы, являющиеся радиоактивными Ядра стабильных элементов можно бомбардировать также нейтронами. В настоящее время известно свыше 900 радионуклиидов, получаемых искусственным путем. Особенно много искусственных радионуклиидов получают в ядерных реакторах, в т. ч. и реакторах АЭС. Большинство из них являются альфа-излучателями и имеют большие периоды полураспада. Не существует элементов, у которых не было бы радиоактивного изотопа. Искусственные радионуклеиды появились в связи с деятельностью человека. Они подразделяются на три группы: 1. Радиоактивные продукты ядерного деления. Они возникают при реакциях деления ядер 235U, 238 U, 239Pu и т. д., которые происходят в результате действия на них нейтронов. Источники этой группы радионуклидов в атмосфере – испытания ядерного оружия, работа предприятий ядерного топливного цикла и атомной промышленности (ядерноно-энергетические установки, радиохимические заводы и т. д.). При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов. К радиоактивным продуктам деления (РПД): относятся: 131J, 137Cs, 90Sr, 140 Ba, 133Xe и многие другие. Период полураспада РПД от нескольких секунд до нескольких десятков лет. Большинство образующихся радионуклиидов являются бета- и гамма-излучателями (131J, 137Cs, 140Ba), остальные испускают или только бета-частицы (90 Sr, 135Cs) или альфа-частицы (144Nd, 147Sm). 2. Радиоактивные трансурановые элементы, возникающие в ядерно-энергетических установках и при ядерных взрывах в результате последовательных ядерных реакций с ядрами атомов делящегося вещества и последующего радиоактивного распада образующихся сверхтяжелых ядер. К этим радионуклидам относятся 237Np, 239Pu, 241Am, 242Cm и др. В основном они альфа- активны, характеризуются очень большим периодом полураспада, отсутствием стабильных изотопов. 3. Продукты наведенной радиоактивности, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц. Нейтроны, образующиеся при цепной реакции деления урана или плутония воздействуют на ядра стабильных элементов окружающей среды, превращая их в радиоактивные (реакция активации). К этим радионуклидам относятся: 45Ca, 24Na, 27Mg, 29Al, 31Si, 65Zn, 54Fe и др. Большая часть их распадается с испусканием бета- частиц и гамма- излучения. Основными компонентами, составляющими искусственный радиационный фон (ИРФ) являются: 1. Глобальные выпадения искусственных радионуклидов, связанные с испытанием ядерного оружия. США и СССР провели более 400 испытаний ядерных бомб. Это привело к глобальному повышению облучения населения Земли. Большая часть радионуклидов попадает в стратосферу, где они остаются на многие месяцы, и даже годы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара. Это приводит к изменению радиационного фона в различных точках земного шара, удаленных на десятки тысяч км от места взрыва. При ядерных взрывах в окружающую среду поступают радионуклиды деления, неразделившаяся часть ядерного заряда, нейтроны. Образуется также наведенная радиоактивность. Воздействие на человека радиоактивных выпадений включает бета- и гамма-облучение за счет радионуклидов, присутствующих в приземном воздухе и выпавших на поверхность земли; за счет загрязнения радионуклидами кожных покровов и одежды; за счет внутреннего облучения от попавших в организм радионуклидов с вдыхаемым воздухом, пищей, водой. 2. Загрязнения локального, регионарного и глобального характера, обусловленные неаварийными выбросами АЭС и радиоактивными отходами и особенно при авариях на АЭС. При работе ядерных реакторов как и при ядерных взрывах образуется большое количество радионуклидов (продукты деления 235U, 234Pu). Основная масса продуктов деления задерживается и остается непосредственно в топливной композиции. Радиоактивные отходы могут быть в виде газов, аэрозолей, жидкостей и в твердом виде. Для задержки газоаэрозольного выброса АЭС устанавливаются фильтры, используются камеры выдержки, радиохроматографические системы (адсорбция газов на активном угле). Газоаэрозольный выброс – поступление радиоактивных веществ в вытяжную трубу высотой 100-150 м. Рассеиваясь в атмосфере, они образуют облако выброса. При движении облака в атмосфере происходит облучение людей бета- и гамма-излучением. Аэрозольные частицы, выпадая из облака, оседают на местности и мигрируют в элементах экологических систем. Часть радионуклидов, поступивших с пищей обусловливают внутреннее облучение. Если в оболочке ТВЭЛов образуются дефекты, то продукты деления могут поступать в теплоноситель. Жидкие отходы могут попасть в реки и озера. При работе предприятий урановой промышленности возможно загрязнение окружающей среды радионуклидами на каждом из этапов производства (добыча, переработка, обогащение урана, приготовление ядерного топлива). Так, на рудниках окружающая среда загрязняется радионуклидами семейства урана-235, в основном радоном и продуктами его распада, находящимися в вентиляционном воздухе. Отвалы бедных руд вблизи обогатительных фабрик также являются источником эмиссии в атмосферу радона и продуктов его распада. При регенерации ядерного топлива на радиохимических заводах в выбросах могут быть 3Н, 14С, 137Сs и др. 3. Использование открытых источников ионизирующих излучений в промышленном производстве, сельском хозяйстве, в научных целях, медицине и т.д. Радиоактивные изотопы широко применяются в промышленности. Например, контроль износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания осуществляют, облучая кольцо нейтронами, в результате чего оно становится радиоактивным. При работе двигателя частицы материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла за определенное время работы двигателя, находят износ кольца. С помощью радиоактивной дефектоскопии устанавливают наличие, место нахождения, форму и размеры внутренних дефектов в материалах и изделиях и т.д. Широкое применение нашли радионуклиды в медицине. С их помощью диагностируют состояние отдельных органов – печени, легких, щитовидной железы и т.д. (32Р, 57Се, 131J, 133Хе и др.). Их используют для диагностики и лечения опухолей. С этой целью в организм вводят 131J, так как обмен веществ в опухоли происходит быстрей, чем в здоровых тканях, радиоизотоп йода быстрее накапливается в опухоли. Исследуя излучения над разными участками тела, находят месторасположения опухоли. Особую роль играет радиационная стерилизация инструментов, одноразовых шприцев, ваты, бинтов и т.д. Нашли применение радионуклиды и в сельском хозяйстве. Облучение семян повышает их всхожесть и урожайность. Применяют излучения и для дезинсекции зерна, консервации сельхозпродуктов. Радиоактивные вещества (их излучения) применяются также в археологии, геологии, геохимии и в др. отраслях. 5.5. Характеристика основных естественных и искусственных радионуклидов Уран. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: уран-234, уран-235, уран-238. Искусственные радиоактивные изотопы – с массовыми числами 227-240. Период полураспада урана-235 - 7х108 лет, урана-238 - 4,5х109 лет. При распаде урана и дочерних радионуклидов испускаются альфа- и бета-излучения, а также гамма-кванты. Проникает уран в организм разными путями, в том числе и через кожу. Растворимые соединения быстро всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям, накапливаясь в почках, костях, печени, селезенке. Биологический период полувыведения из легких – 118-150 суток, из скелета – 450 суток. За счет урана и продуктов его распада годовая эквивалентная доза составляет 1,34 мЗв Торий. Торий-232 – инертный газ. Продукты его распада – твердые радиоактивные вещества. Период полураспада - 1,4х1010 лет. При превращениях тория и продуктов его распада выделяются альфа- бета- частицы, а также гамма- кванты. В минерале торианите содержится до 45-88% тория. Из сплава тория с обогащенным ураном изготавливаются ТВЭЛы. В организм поступает через легкие, желудочно-кишечный тракт, кожу. Накапливается в костном мозге, селезенке. Биологический период полувыведения из большинства органов – 700 суток, из скелета – 68 лет. Радий. Радий-226 является важнейшим радиоактивным продуктом распада урана-238. Период полураспада 1622 года. Это серебристо-белый металл. Широко применяется в медицине в качестве источника альфа-частиц для лучевой терапии. Поступает в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и кожу. Большинство поступившего радия депонируется в скелете. Биологический период полувыведения из костей около 17 лет, из легких –180 дней, из других органов выводится в первые двое суток. При попадании в организм человека вызывает повреждение костной ткани, красного костного мозга, что приводит к нарушению гемопоэза, переломам, развитию опухолей. В течение одних суток 1г радия дает при распаде 1мм3 радона. Радон. Радон-222 - бесцветный газ без запаха. Период полураспада 3,83 суток. Продукт распада радия-226. Радон – альфа- излучатель. Он образуется в месторождения урана в радиоактивных рудах, содержится в природном газе, грунтовых водах и т.д. Может выходить и по трещинам горных пород, в плоховентилируемых шахтах, рудниках его концентрация может достигать больших величин. Радон встречается во многих строительных материалах. В атмосферу поступает также при вулканической деятельности, при производстве фосфатов, работе геотермальных энергетических станций. В лечебных целях применяется в виде радоновых ванн при лечении заболеваний суставов, костей, периферической нервной системы, хронических гинекологических заболеваний и др. Применяется также в виде ингаляций, орошений, приема внутрь воды, содержащей радон. В организм поступает в основном через органы дыхания. Период полувыведения из организма в пределах суток. Радон дает ¾ годовой эквивалентной дозы от земных источников облучения, и около ½ дозы от всех естественных источников радиации. Калий. Калий-40 - серебристо-белый металл, в свободном виде не встречается, так как очень химически активен. Период полураспада 1,32 х 109 лет. При распаде излучает бета- частицу. Является типичным биологическим элементом. Потребность человека в калии – 2-3мг на кг веса в сутки. Много калия содержится в картофеле, свекле, помидорах. В организме всасывается 100% поступившего калия, распределяется равномерно по всем органам, относительно больше его в печени, селезенке. Период полувыведения около 60 суток. Йод. Йод-131 образуется в реакциях деления урана и плутония, а также при облучении теллура нейтронами. Период полураспада 8,05 дней. Поступает в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт (всасывается 100% поступившего йода), кожу. Накапливается в основном в щитовидной железе, концентрация его в железе в 200 раз выше, чем в других тканях. Распадаясь, йод выделяет бета-частицу и 2 гамма-кванта. Период полувыведения из щитовидной железы 138 дней, из других органов 10-15 суток. Из организма беременной женщины йод через плаценту переходит к плоду. Цезий. Цезий-137 вносит решающий вклад в суммарную эквивалентную дозу облучения. Цезий – серебристо-белый металл. Является источником бета- и гамма- излучений. Период полураспада цезия-137 – 30 лет. До аварии на ЧАЭС основным источником поступления цезия в окружающую среду являлись ядерные взрывы. Большая часть выпавшего цезия находится в форме, которая легко усваивается. В растениях в основном накапливается в соломе и ботве. В кишечнике всасывается 100% поступившего цезия. Накапливается он в основном в мышечной ткани. Период полувыведения из мышц – 140 суток. Стронций. Стронций-90 – период полураспада – 28,6 лет (у стронция-89 – 50,5 суток). Стронций-90 –бета-излучатель. Стронций легко усваивается растениями, животными, человеком. Концентратором стронция является – кукуруза, содержание стронция в ней в 5-20 раз больше, чем в почве. В организме человека в зависимости от диеты усваивается в желудочно-кишечном тракте от 5% до 100% поступившего стронция (в среднем 30%). Накапливается в основном в скелете. Максимальная концентрация наблюдается у детей до 1 года. Период полувыведения стронция из мягких тканей составляет до 10 суток, из костей – до 8-10 лет. Плутоний. Плутоний-239 – является альфа-излучателем. Период полураспада его 24360 лет. Это серебристо-белый металл. Источником поступления плутония являются ядерные взрывы, а также реакторы АЭС, особенно аварийные выбросы. В почве находится в поверхностных слоях и донных отложениях водоемов. Поступает в организм через легкие и желудочно-кишечный тракт, причем усваивается из ЖКТ – значительно меньше 1%. Накапливается в легких, печени, костной ткани. Период полувыведения из скелета составляет 100 лет, из печени – 40 лет. Америций. Америций-241 – продукт распада плутония-241 (период полураспада 241Рu составляет – 14,4 года). Период полураспада америция-241 составляет 432,2 года, при распаде выделяется альфа- частица. Америций растворяется в воде значительно лучше плутония, поэтому отличается большей миграционной способностью. Накапливается до 99% в поверхностных слоях почвы, 10% америция находится в растворенной форме и легко усваивается растениями. Концентрируется у человека в скелете, печени, почках. Период полувыведения из скелета – до 30 лет, из печени – до 5 лет. Лекция № 6 РАДИОИЗОТОПЫ И БИОСФЕРА 6.1. Поведение радионуклидов в почве Радиоактивные вещества, прежде чем попасть в организм человека, проходят по сложным маршрутам в окружающей среде. Изотопы химического элемента, стабильные они или радиоактивные, в природе ведут себя одинаково. Источниками поступления искусственных радионуклидов в окружающую среду в 50-60 годы прошлого столетия явились ядерные испытания в атмосфере, а с 70-х годов – работа предприятий ядерного топливного цикла (особенно неаварийные и аварийные выбросы в атмосферу радионуклидов атомных электростанций). Радиоактивные вещества, если они заброшены в верхние слои атмосферы (стратосферу), многократно огибают землю, постепенно концентрируясь между тридцатым и пятидесятым градусами широты в северном и южном полушариях, независимо от географического положения места их истечения. Чем выше заброшены радионуклиды, тем дольше они находятся в атмосфере – один-два года и более. Большинство радионуклидов поступает в нижние слои атмосферы (тропосферу), находясь там, в аэрозольном и газообразном состоянии. Очищение атмосферы протекает длительно, но достаточно интенсивно. Радионуклиды, поступившие в атмосферу, под влиянием гравитационных сил (сил всемирного тяготения), а также под воздействием ряда метеорологических факторов (дождя, тумана, снега, града) оседают на поверхность Земли, в основном на почвенный покров. Решающую роль в очищении тропосферы выполняют осадки (захват частиц падающими каплями). Оседание радионуклидов на растительный покров происходит и без осадков, в результате турбулентного движения воздушных потоков в атмосфере. Возможно поступление радионуклидов в почву после их сброса в гидрографическую сеть с паводковыми водами, при орошении полей и т.д. Оседая на земную поверхность – почвенно-растительный покров, радиоактивные изотопы (как естественные, так и искусственные) включаются в биологический круговорот в системе почва-растения-животные-человек. Таким образом, почвенная оболочка биосферы – педосфера, - является одним из основных компонентов в природе, где происходит локализация как естественных, так и искусственных радионуклидов, которые сбрасываются в окружающую среду вследствие техногенной деятельности человека. Попадая в почву радионуклиды мигрируют в ней. Под миграцией радионуклидов в почве понимается совокупность процессов, приводящих к перемещению радионуклидов в почве и перераспределению их по глубине и в горизонтальном направлении. Миграция радиоактивных веществ при их попадании в почву зависит от ряда условий: физико-химических свойств изотопов; физико-химических свойств почвы (типа почвы); характера движения грунтовых вод; кислотности среды; климатических условий; времени нахождения радионуклидов в почве и т.д. К движущим силам, приводящим к миграции радионуклидов в почвах, относятся:
Попадая на поверхность почвенного покрова, радионуклиды поглощаются почвами. Поглощение радионуклидов определяется процессами распределения между двумя основными фазами почвы – твердой и жидкой (почвенным раствором) и осуществляется в основном за счет процессов сорбции-десорбции радионуклидов, осаждения-растворения труднорастворимых соединений и коагуляции – пептизации коллоидов. Различные почвы обладают разной емкостью поглощения радионуклидов. Высокой емкостью поглощения обладают черноземы, глинистые почвы, сорбционная способность которых обусловлена наличием гумуса. Поглотительная способность дерново-подзолистых, песчаных почв значительно меньшая. Некоторые изотопы, например, стронций и цезий могут переходить из обменной формы в необменную благодаря включению их в кристаллическую решетку почвенных минералов и солей: фосфатов, сульфатов и других малорастворимых соединений. Миграция радионуклидов вглубь почвы протекает крайне медленно. Основная масса радионуклидов до сих пор распределена в 10 сантиметровом слое почвы, а на пашне – в пахотном горизонте. В ближайшие 20-25 лет самоочищения почв в результате миграции радионуклидов в нижележащие горизонты не произойдет. 6.2. Нуклиды и растительный мир В растительные организмы радионуклиды попадают во время атмосферных осадков, при фотосинтезе (углерод и тритий участвуют в образовании углеводов, белков и других компонентов растительной ткани) и из почвы. В общем цикле круговорота радионуклидов в наземной среде важным является звено почва-растения. В результате загрязнения почвы радиоактивными веществами отмечается их поступление в наземную растительность. Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют различные показатели. Одним из наиболее широко применяемых является коэффициент накопления (КН) – отношение содержания радионуклида в единице массы растений и почвы соответственно. Для большого числа радионуклидов КН<1. По аккумуляции растениями химические элементы разделяются на 5 групп: с сильным накоплением (КН>10), со слабым накоплением (КН равен 1-10), с отсутствием аккумуляции (КН равен 0,1-1,0), со слабой дискримиляцией (КН равен 0,01-01, с сильной дискримиляцией (КН<0,01). КН цезия-134 в огурцах 5,2; в томатах 6,6; кукурузе – 0,2 и т.д. Близким к КН является почвенный коэффициент пропорциональности (Кп) – отношение концентрации радионуклидов в растениях в Бк/кг к плотности загрязнения почвы в Бк/м2. Накопление радионуклидов растениями из почвы зависит от комплекса факторов: физико-химических свойств радионуклидов; агрохимической характеристики почвы; биологических особенностей растений; агротехники возделывания культур; климатических условий. Радиоактивные изотопы, находящиеся в почве, как правило, переходят в корневую систему растений, аналогично стабильным изотопам тех же элементов. Из песчаных легких почв радионуклиды поступают в растения значительно легче, чем из тяжелых глинистых почв. Чем сильнее радиоизотоп фиксируется в почве, тем меньшее его количество попадает в растения. Так, например, овес, выращенный на песке, накапливает стронция-90 в несколько раз больше, чем овес, выращенный на суглинке. При этом из глинистого песка поступает 8-10%, а из тяжелых суглинков – всего 1% от всего стронция-90, попавшего в почву. Относительное накопление растениями различных изотопов из почв следующее: стронций > йод > барий > цезий > рубидий > церий > цирконий > плутоний. При одинаковой плотности загрязнения почвы стронцием и цезием, концентрация стронция в грубых кормах в 40-50 раз выше, чем цезия. Такие изотопы, как стронций и цезий легко проникают через корневую систему во все органы растений. Другие же радионуклиды – церий, цирконий, плутоний – накапливаются в основном в корневой системе растений. Многолетние луговые травы могут накапливать большое количество радиоактивных веществ, что превышает накопление однолетними сельскохозяйственными культурами. В лесной зоне наибольшей способностью задерживать радиоактивные вещества обладают хвойные породы деревьев, что связано с медленной сменой игл. Имеются там называемые растения – концентраторы, которые способны жадно захватывать радиоактивные вещества, усваивая их с большой площади. Это лишайники, мхи, грибы, бобовые, злаки. Стронций-90 в 2-6 раз интенсивнее поглощается бобовыми культурами, чем злаковыми. Наиболее интенсивно идет накопление радионуклидов в листьях и стеблях и значительно слабее в генеративных органах растений. Так, в созревших растениях фасоли стронций-90 распределяется следующим образом: в листьях 53-68%, в стеблях 15-28%, створках бобов 12-15%, в зерне 7-14%. Озимые культуры накапливают радионуклиды в меньших количествах, чем яровые. По количеству цезия-137 от меньшего к большему растения можно расположить в ряд: пшеница < ячмень < горох < гречка < овес < фасоль < картофель < морковь < свекла < бобы. Грибы накапливают радионуклиды на 1-2 порядка больше, чем их концентрация в почве. По накоплению цезия-137 в плодовых телах грибы делятся на 4 группы:
В шляпках накапливается цезия-137 в 1,5-3 раза больше, чем в ножках. Из дикорастущих ягод сильнее всего концентрируют радионуклиды клюква, малина, черника, земляника (самая «чистая»). По накоплению цезия-137 ягоды располагаются в убывающем порядке: черника, голубика, брусника, клюква, земляника. Содержание радионуклидов на приусадебном участке в ягодах меньше, чем в лесу. Красная и черная смородина накапливает радионуклиды, крыжовник является наиболее «чистым». Повышенное содержание стронция и цезия характерно для ароматической столовой зелени: в укропе, петрушке, шпинате, и особенно в щавеле. Лук, капуста, свекла накапливают радионуклидов меньше, чем огурцы, томаты, морковь. По накоплению стронция-90 древесными растениями установлен следующий убывающий ряд: осина, береза, ольха, ель, сосна, дуб. Береза поглощает из почвы цезия-137 в 2-18 раз, а стронция-90 – в 13 раз больше, чем сосна. При отмирании травянистой и древесной растительности, а также с пожнивными остатками радионуклиды возвращаются в процессы миграции. 6.3. Аэральное загрязнение растений Аэральное радиоактивное загрязнение растений происходит при оседании на их надземной части компонентов аэрозольных и газообразных выбросов. Источниками радиоактивного загрязнения могут быть локальные и глобальные выпадения при испытании ядерных устройств, нормальные и аварийные выбросы радионуклидов при работе предприятий полного ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Выбросы АЭС состоят из инертных газов (радиоизотопы аргона, криптона, ксенона), летучих газов (радиоизотопы йода, трития, цезия), нелетучих радионуклидов (радиоизотопы стронция, рубидия, лантана). Кроме того, в эти выбросы могут поступить и продукты нейтронной активации (нуклиды наведенной активности – марганец-54, железо-55,59, кобальт-60, цинк-65, кадмий-115 и др.) На предприятиях ЯТЦ выбросы могут включать тяжелые естественные радионуклиды (уран-238, торий-232, радий-226, полоний-210, свинец-210), а также трансурановые элементы (нептуний-237, плутоний-238, 239, 240, америций-241 и др.). Для некоторых радионуклидов внекорневое поступление является основным путем вовлечения в сельскохозяйственные цепи миграции, например, для углерода-14. Оседание радионуклидов на растительный покров происходит под влиянием гравитационных сил, а также под действием метеорологических факторов (дождей, тумана, снега). Кроме того, оседание радионуклидов происходит и при турбулентном движении воздушных масс в атмосфере. Значительную роль в аэральном загрязнении растений играют подъем и вторичное загрязнение растений радиоактивных частиц, осевших на почву или частиц загрязненной почвы. Наиболее важными факторами, влияющими на ветровую эрозию почв, являются скорость движения воздуха у поверхности почвы; турбулентность (хаотическое движение), плотность, температура, давление, влажность и вязкость воздуха; структура, плотность и влажность почвы и т.д. Подъем загрязненных почвенных частиц на территории, используемой в сельском хозяйстве, может быть обусловлен проведением агротехнических мероприятий: во время проведения сельхозработ меняется интенсивность ветрового подъема частиц. Подъем почвенных частиц происходит быстрей на сухой неровной поверхности с бедной растительностью в условиях, характерных для засушливых районов, вспашенных полей, выдуваемых склонов. Оседая на наземных частях растений, одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, сдуваются ветром, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития. Задержание растениями радиоактивных веществ, выпадающих из атмосферы, зависит от физических свойств выпадений (частицы, пары, роса, туман, дождь), дисперсности выпавшего материала и скорости роста растений. Задерживание радионуклидов при попадании на посевы в растворимой форме колеблется от 8 до 90%. Осевшие из воздуха и задержанные на поверхности листьев и стеблей радионуклиды могут находиться как в свободном, так и в сорбированном виде. На сорбцию задержанных растениями радионуклидов оказывают влияние температура и влажность воздуха, особенности строения поверхности листьев, солевой состав и рН раствора, содержащего радионуклиды, наличие или отсутствие кутикулы. Передвижение радионуклидов в органы, не подвергшиеся прямому загрязнению, определяется как физико-химическими свойствами радионуклидов, так и биологическими особенностями растений. Стронций-90, рубидий-106, церий-144 передвигаются из листьев в другие органы растений в 100 раз медленнее, чем цезий-137. Сначала радионуклиды проникают во внутреннюю структуру в месте соприкосновения, а затем перемещаются в другие органы растений. Перенос радионуклидов в продуктивные части растений зависит от их возраста и физиологического состояния тканей, на которые попали радионуклиды. Передвижение радионуклидов из старых листьев идет интенсивнее, чем из молодых. 6.4. Поступление радионуклидов в организм гидробионтов Загрязнение рек, озер и других водоемов происходит в результате оседания радионуклидов на их поверхности из атмосферы, а также путем смыва их дождевыми водами с загрязненных участков почвенно-растительного покрова. Будучи хорошо растворимыми в воде, некоторые радиоактивные вещества (стронций-90, цезий-137 и др.) могут накапливаться в водоемах. При поступлении радиоактивных веществ в воду открытых водоемов, в первую очередь отмечается их разбавление, поглощение дном и тканями гидробионтов. Эффективность процесса разбавления в реках и закрытых водоемах неодинаковая (в реках большая). Накопление радионуклидов гидробионтами происходит в результате адсорбции и диффузии; поступления радионуклидов через органы дыхания и пищеварения. Среди обитателей водоемов существуют организмы-концентраторы, которые активно поглощают радионуклиды. Некоторые гидробионты концентрируют их в десятки тысяч раз больше в сравнении с содержанием радионуклидов в воде. Это водоросли, планктон, моллюски, ракообразные и другие донные организмы. Большая удельная поверхность тела у планктона, губок и некоторых других гидробионтов создает условия для адсорбции ими значительного количества радионуклидов. Так, коэффициент накопления стронция-90 в водорослях достигает 100, в мышцах рыб – только 0,1. При этом скорость накопления радионуклидов довольно значительная. Так, дафния накапливает 50-60% от предельного накопления радиоактивного стронция в течении всего лишь 5 мин. В последующем накоплении принимают участие и обменные процессы. Время, необходимое для максимального накопления радиоактивных веществ зоопланктоном, составляет несколько часов. У водных растений процесс накопления более медленный. Предельное накопление в водорослях происходит в течение 7-30 суток. У рыб основным путем поступления радионуклидов является поступление через органы пищеварения. Поэтому в данном случае существенное значение имеют уровни загрязнения низших организмов, являющихся кормом для рыб. Радиоактивные изотопы проникают в организм рыб также через жабры. Время предельного накопления радиоизотопов в теле рыб колеблется от 10 до 120 дней. У хищных рыб накапливается радионуклидов меньше, чем у планктонофагах. В порядке убывания содержания радионуклидов в тканях рыб их можно распределить следующим образом: судак > щука > окунь > плотва > лещ > карп. При снижении удельной активности воды имеет место выведение накопленных радионуклидов из организма гидробионтов. В среднем на протяжении 10 дней нахождения в чистой воде планктон и водоросли теряют 95-97% от общего количества накопленных радионуклидов. Выведение радионуклидов из тканей рыб происходит с меньшей скоростью. Так, стронций-90 даже через 3 месяца пребывания рыбы в чистой воде находится в ее мышцах до 10% накопленного количества, а в костях – до 50% первоначального уровня. 6.5. Действие излучений на растения Первичные реакции в сложном растительном организме начинаются с действия радиации на биологически активные молекулы, входящие в состав практически всех компонентов живой клетки. Биологические процессы, вызванные облучением растений, связаны с множеством обменных реакций в клетках. В зависимости от дозы облучения и фазы развития растений в момент воздействия излучений у вегетирующих растений наблюдается значительная вариабильность изменений обменных процессов. Реакция растительных объектов на действие гамма- и рентгеновского излучения проявляется в виде активации или подавления ростовых процессов, что вызывает изменение темпов клеточного деления. У злаковых культур, подвергшихся облучению дозами 20-30 Гр, наблюдается торможение роста главного побега в высоту, а затем вследствие активации покоящихся центров начинается рост боковых побегов, что выражается в мощном кущении. Причем кустистость пшеницы может повыситься в 3 раза. Хроническое облучение может привести к увеличению вегетативной массы к моменту уборки почти в 6 раз. При действии повреждающих доз излучений в растениях возникают различные морфологические аномалии. Так в листьях происходит увеличение или уменьшение количества и размеров, изменение формы, скручиваемость, ассиметричность, утолщение листовой пластинки, опухоли, появление некротических пятен. При поражении стеблей наблюдается угнетение или ускорение их роста, нарушается порядок расположения листьев, изменяется цвет, появляются опухоли и аэральные корни. Наблюдается также угнетение или ускорение роста корня, расщепление главного корня, отсутствие боковых корней, появление вторичного главного корня, опухолей. Происходит также изменение цветков, плодов, семян – ускорение или задержка цветения, увеличение или уменьшение количества цветков, изменение цвета, размеров и формы цветков; увеличение или уменьшение количества плодов и семян, изменение их цвета и формы и т.д. В ряде случаев действие больших доз облучения на растения повышает темпы развития вследствие активации процессов старения – растение быстрее зацветает и созревает. Разнообразны и генетические повреждения. В результате мутаций, например, у пшеницы встречаются высокорослые, низкорослые, карликовые формы, растения с ветвящимися или стелющимися стеблями. При больших дозах возможна гибель растений. При действии излучений в невысоких дозах (5-10 Гр для семян и 1-5Гр для вегетирующих растений) наблюдается так называемая радиостимуляция – ускорение темпов роста и развития растений. Стимуляция наблюдается при действии гамма-, бета- и рентгеновских излучений (при действии альфа- излучений стимуляции не наблюдается). При действии больших доз уменьшается не только количество зерна в урожае, но заметно изменяется и его качество – обычно зерно оказывается щуплым. Таким образом, реакция растений на действие излучений сложна и разнообразна. Процессы, происходящие на молекулярном и клеточном уровне, в целом сходны у всех живых организмов. На более высоких уровнях организации проявляются только характерные для растений изменения, зависящие от особенностей структуры и функций различных тканей и органов растительного организма. 6.6. Действие излучений на животных С травой и другими растениями радионуклиды попадают в организм животных, т.е. основным источником радиации является корм. Поступление через органы дыхания и через кожу играет незначительную роль. Попавшие в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) радионуклиды вступают в процессы метаболизма, включающие всасывание, перемещение по отдельным органам и тканям, депонирование и выведение. От интенсивности этих процессов зависит, в конечном счете, накопление радионуклидов в продукции животноводства. Интенсивность и величина всасывания радионуклидов в ЖКТ зависят от химической формы соединения, в которое включен радионуклид и его физико-химических свойств. Коэффициент всасывания различных радионуклидов различен у разных животных. Такие радионуклиды как йод-131, цезий-137, тритий всасываются в ЖКТ полностью, стронций-90 – всасывается 6-16%. Всасывание зависит от возраста животных (у молодых особей всасывание в несколько раз больше). Радионуклиды, всосавшиеся в ЖКТ, поступают в кровь, распределяются в компонентах ее сыворотки и форменных элементов. Распределение радионуклидов в органах и тканях животных определяется их видом, возрастом, длительностью поступления радиоактивных веществ в организм и другими факторами. Существует несколько основных типов распределения радионуклидов в организме: равномерный (3Н, 7Li, 22Na, 40K, 85Rb, 137Cs); скелетный (45Са, 90Sr, 140Ba, 226Ra); печеночный (238U, 125Sb, 76As, 75Se); тиреотропный (131J, 211At). Выводятся радионуклиды из организма животных с характерным для каждого изотопа периодом полувыведения. Наиболее быстро выделяются радионуклиды из мягких тканей. Период полувыведения цезия-137 составляет от 3 до 46 суток, а период полувыведения стронция-90 из скелета животных составляет более 3000 суток. Биологические эффекты действия радиации на животный мир изучены недостаточно. Известно, что очень высокие дозы приводят к гибели млекопитающих, меньшие – к заболеваниям, генетическим изменениям, половым расстройствам, неспособности к воспроизведению, выкидышам. Биологические эффекты, происходящие в клетках подразделяются на 2 группы: стохастические и нестохастические. Стохастические эффекты признаются беспороговыми и могут наблюдаться в клетках животных после минимальных доз облучения. К ним относятся: 1) репродуктивная гибель клетки;2) возникновение генных мутаций; 3) появление хромосомных аберраций; 4) злокачественная трансформация клетки. Нестохастические эффекты имеют пороговую дозу, ниже которой изменения отсутствуют. К нестохастическим реакциям относятся: 1) радиационная задержка и стимуляция деления клеток; 2) угнетение синтеза ряда веществ; 3) пострадиационное разрушение ДНК; 4) изменение проникаемости биологических мембран; 5) нарушение обмена кальция и функционирования ферментативных систем. При действии радиационных излучений наблюдаются радиационные эффекты в тканях и органах животных. Прежде всего, наблюдается патология кровотворения и связанная с ней депрессия клеточных элементов крови (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Эти изменения характерны для клинического синдрома острой лучевой болезни. Под действием излучений меняется весь комплекс защитных механизмов и реакций организма (клеточных и гуморальных факторов иммунитета). При радиационных поражениях меняется естественная устойчивость к эндогенным (внутреннего происхождения) инфекциям. Негативное влияние гамма- излучений на воспроизводительную функцию сельскохозяйственных животных и качество потомства определяется в основном поражением эмбриона в период дифференцировки органов, а также семяродного эпителия яичек и яичников родителей. По клиническому проявлению, характеру течения и исходу заболевания при общем облучении различают острую и хроническую лучевую болезнь. При облучении в больших дозах развивается ОЛБ. Различают три основные формы ОЛБ: церебральную, кишечную и костномозговую. В развитии и течении ОЛБ выделяют 4 периода: 1) начальный, или период первичных реакций; 2) латентный, или скрытый (период кажущегося благополучия); 3) период выраженных клинических признаков, или период разгара болезни; 4) период восстановления с полным или частичным выздоровлением. В течение ХЛБ выделяют 3 степени тяжести: легкую, среднюю и тяжелую. Легкая степень характеризуется функциональными нарушениями органов и систем (функция может быть повышена или понижена). При средней степени отмечаются признаки морфологического повреждения наиболее радиочувствительных тканей – гипоплазия костного мозга с признаками лейко- и тромбоцитопении. При тяжелой степени наблюдаются выраженная гипоплазия костного мозга, резкая лейко- и тромбоцитопения, анемия, дистрофические изменения в органах и инфекционные осложнения. ХБЛ развивается у крупного рогатого скота после однократного введения йода-131 в концентрации (0,9-2) х 109 Бк/кг массы животного, перорального введения в течение 8 лет стронция-90 в концентрации 7,4 х 106 Бк/кг массы животного. Из местных поражений возможно радиоактивное загрязнение кожного покрова с развитием бета-ожогов кожи, по тяжести поражения различают четыре степени: легкую, среднюю, тяжелую и крайне тяжелую. Лекция № 7 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 7.1. Пищевые цепочки Радионуклиды в организм человека поступают через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт (с водой и пищей) и через кожу. Большинство радионуклидов поступает с продуктами растениеводства и животноводства. Пути миграции радионуклидов в организм человека различны и осуществляются в основном по следующим пищевым цепочкам.
Мясомолочные продукты – основные поставщики радиоактивности в организм человека. Если до аварии на ЧАЭС активность цезия-137 в молоке не превышала 0,3 Бк/л, то в мае 1986 г. на юге Гомельской области она составляла 330000 Бк/л. Загрязнение молока осенью 1986 г. в Гомельской области составило 3577 Бк/кг (по РДУ-96 уровень содержания цезия-137 в молоке не должен превышать 114 Бк/л, в мясе – 600 Бк/кг). Из-за глобальных выпадений при испытаниях ядерного оружия на Новой Земле оленеводы приполярной тундры получили дозы в 100-1000 раз большие, чем остальное население (ягель, которым питаются олени, является концентратом радиоактивных веществ). 7.2. Пути поступления радионуклидов в организм человека Радиоактивные вещества могут попадать в организм человека тремя путями: через органы дыхания (при вдыхании загрязненного радиоактивными аэрозолями воздуха), через желудочно-кишечный тракт (с продуктами питания и водой), через кожу (резорбция через кожу). С воздухом в организм человека поступает несколько более 1% радиоактивности. Примерно 5% попадает с питьевой водой. Основной опасностью является поступление радионуклидов с пищей. Наиболее важным и потенционально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов. Этому содействует большая дыхательная поверхность альвеол, площадь которой достигает 100м2 и более (более чем в 50 раз превышает площадь кожи). Кроме того, этот путь опасен и из-за более высокого коэффициента захвата и усвоения изотопов из воздуха. Радиоактивность воздуха может быть обусловлена содержанием в нем радиоактивных газов или аэрозолей в виде пыли, тумана, дыма. Доля радионуклидов, которые задерживаются в дыхательной системе, зависит от размера частиц, минутного объема легких и частоты дыхания. Обмен радиоактивных элементов при поступлении их в легкие с выдыхаемым воздухом определяют три параметра:
При вдыхании воздуха радиоактивные вещества, содержащиеся в нем (частицы радиоактивной пыли), задерживаются на всем протяжении дыхательного тракта от преддверия носа, носоглотки, полости рта до глубоких альвеолярных отделов легких. При этом между размером частицы и глубиной ее проникновения имеется зависимость. Радиоактивные частицы с аэродинамическим диаметром 50 мкм могут достигать только носоглотки (откуда могут потом поступать в желудок), и в основном отхаркиваются. Частицы с диаметром 7,5-10 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях на 70-90% (не проникают в альвеолы). Более мелкие частицы (0,05 мкм) задерживаются в альвеолярном отделе легких на 35-65%. Чем меньший диаметр частиц, тем относительно меньше их задерживается в верхних дыхательных путях, бронхах и тем больше их проникает в альвеолярные отделы легких, т.е. в те области, где отсутствуют механизмы, которые способны выводить попавшие частицы в бронхи и трахею (т.е. наружу). Дальнейшая судьба радионуклидов, отложившихся в дыхательных путях, также связана с размерами радиоактивных частиц, их физико-химическими свойствами и транспортабельностью в организме. Вещества, хорошо растворяющиеся, в основном быстро (за несколько десятков минут) всасываются в кровеносное русло, - этому содействует широкое развитие сети капилляров, через которые и происходит обмен газов в легких. Затем эти вещества в процессе обмена веществ откладываются в определенных органах и системах или выводятся из организма. Вещества, слабо растворяющиеся или не растворяющиеся, оседают в верхних дыхательных путях и выделяются вместе со слизью, после чего с большой вероятностью попадают в ЖКТ, где всасываются кишечной стенкой. Частицы, которые осели в альвеолярной части легочной ткани, или захватываются фагоцитами и удаляются, либо мигрируют в лимфатические узлы легких, трахеи, удаляясь из них в течение нескольких месяцев и даже лет. Второй по значимости путь – поступление радионуклидов с пищей и водой. Питательные вещества вместе с фоновыми концентрациями естественных радиоактивных веществ могут быть загрязнены искусственными радионуклидами, которые из внешней среды по биологическим пищевым цепочкам попадают в растения, организмы животных и, наконец, в продукты питания. Дальнейшая судьба радиоактивных веществ зависит от их растворимости в кислой среде желудка. Многие растворимые соединения, а именно редкоземельные и трансурановые элементы, в частности соединения плутония, при щелочной среде кишечного сока превращаются в нерастворимые соединения. Возможно и обратное, когда плохо растворимые в воде вещества в жидкой среде ЖКТ превращаются в растворимые компоненты, которые хорошо всасываются в кровь через эпителий кишечника. В организм поступает только некоторая часть радионуклидов, попавших в кишечник, большая часть их проходит «транзитом» и удаляется из кишечника. Коэффициент всасывания (резорбции) – это доля вещества, которая поступает из ЖКТ в кровь. Он равен для трития, натрия, криптона, йода, цезия, ксенона – 1,0; стронция – 0,3; теллура – 0,25; урана, радия – 0,2; бария, полония – 0,1; церия, висмута – 0,25; плутония - 0,0005. Радиоактивные вещества, которые в ЖКТ всасываются в количестве менее 1% (коэффициент всасывания менее 0,01) очень быстро удаляются с калом (в течение 1-4 суток). Так как продолжительность контакта таких веществ с организмом небольшая и осуществляется только в период транзита, то сколько-нибудь значительные дозы излучения не успевают образоваться. Кроме этого пробег альфа- и бета-частиц в биологических тканях небольшой (для альфа- частиц – десятки микрометров, для бета- частиц – несколько миллиметров). Поэтому поглощение излучения происходит в основном в содержимом ЖКТ, значительно меньше – в слизистой оболочке толстой кишки. Гамма- кванты достигают и других внутренних органов, которые размещаются в брюшной полости и грудной клетке. |