токсикология. Н. В. Березина Основы токсикологии
 Скачать 397.27 Kb.
|
|
Стойкие органические загрязнители (СОЗ) -это высокоустойчивые соединения, создающие угрозу для человека и его среды обитания при многих видах производственной деятельности. Используются они как промышленные вещества и в качестве пестицидов, образуются как побочные продукты горения и многих производственных процессов. Наиболее опасными в настоящее время считаются гексахлорбензол, полихлорированные бифенилы, диоксины, фураны, а также пестициды: ДДТ, эндрин, мирекс, токсафен и др. По степени опасности эти вещества превосходят даже боевые отравляющие вещества и классический растительный яд кураре, приближаясь по силе воздействия к дифтерийному токсину. Они характеризуются воздействием малых доз, высокими биологической активностью и стойкостью. Кроме того, они практически не разлагаются десятки лет и могут мигрировать на огромные расстояния. СОЗ накапливаются преимущественно в жировых тканях живых организмов, вызывая токсические эффекты широкого спектра действия, такие как PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 39 врожденные дефекты, злокачественные новообразования, снижение иммунитета, нарушение репродуктивной функции. Действие диоксинов на клеточном уровне исследователи сравнивают с последствиями радиоактивного облучения. Сегодня не существует доступных для массового применения методов удаления диоксинов и других СОЗ из биосферы. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 40 4. Радиоактивность 4.1. Ядерные превращения Способность атомов испускать излучение называют радиоактивностью. Она не связана с физико-химическим состоянием вещества, а является свойством самого атома. В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее число протонов в ядре Z соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Общее число протонов и нейтронов N в ядре А = Z + N называют массовым числом. Химические свойства атомов зависят только от заряда ядра, т.е. от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с равным числом Z, но разным числом А обладают одинаковыми химическими свойствами; такие атомы называют изотопами. Природные элементы обычно представляют собой смесь изотопов. Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными. Радиус действия их - около 10 –13 см. По интенсивности они намного мощнее электрических, магнитных и гравитационных сил. В начале таблицы периодической системы элементов находятся “особо прочные” - стабильные и поэтому наиболее распространенные во Вселенной элементы, в ядрах которых число протонов равно числу нейтронов. Парное взаимодействие протонов и нейтронов удерживает такие ядра в стабильном состоянии. Ядра элементов, стоящих ближе к концу таблицы, переобогащены нейтронами; такие “тяжелые” ядра нестабильны и испытывают радиоактивный распад с выделением энергии. Естественные радиоактивные вещества испускают три вида лучей: α -лучи - тяжелые, положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 10 9 см/с и поглощаемые алюминиевой фольгой толщиной несколько микрометров. Этими частицами являются ядра гелия ( 4 2 He); β -лучи - легкие, отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм. Этими частицами являются электроны; PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 41 γ -лучи - сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа γ -лучей - жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую волну, чем рентгеновское. Радиоактивные превращения атомных ядер записываются в виде уравнения , 1 1 a Y X A Z A Z + → где X A Z - исходное ядро; Y A Z 1 1 - дочернее ядро; a - испускаемая частица. Основные физические характеристики некоторых радионуклидов представлены в табл.4.1. Среднее содержание естественных радиоактивных элементов в земной коре составляет 0,1% по весу. Первое искусственное превращение ядра одного элемента в ядро другого было осуществлено в 1919 году Резерфордом. Было установлено, что ядерная реакция начинается в том случае, когда частицы входят в зону действия ядерных сил облучаемых ядер. В качестве бомбардирующих частиц в экспериментах обычно использовались мелкие ядра - частицы (нейтроны, протоны, тритоны, α - частицы и др.) и γ -кванты. Заряженные частицы предварительно ускоряют до больших энергий, только при таком условии любая заряженная частица может преодолевать кулоновское отталкивание ядра, которое она испытывает от ядерного взаимодействия. Нейтрон и γ - квант, не имеющие заряда, могут проникать в ядро при любых энергиях. В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Закон уменьшения количества ядер с течением времени является общим для всех видов радиоактивных превращений и всех изотопов и носит название закона радиоактивного распада. Этот закон гласит: количество ядер данного изотопа, распавшихся за одну секунду, пропорционально количеству ядер, имеющихся налицо в данный момент времени, т.е. за одну секунду всегда распадается одна и та же доля ядер данного изотопа независимо от их количества. Этот закон можно записать следующим образом: , λ Δ Δ N t N − = где N - число ядер, имеющихся налицо в момент времени t; ∆ N - число атомов, распавшихся за промежуток времени ∆ t; λ - постоянная величина, которая называется постоянной распада и измеряется в 1/с. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 42 Постоянная распада представляет собой долю ежесекундно распадающихся ядер. Для каждого вида радионуклидов λ имеет определенное значение. Таблица 4.1 Основные физические характеристики радионуклидов Элемент Радионуклид Название Символ Z A Период полураспада Вид излучения Естественная радиоактивность 92 238 4,5·10 9 α Уран U 92 235 7·10 8 α, γ Протактиний Pa 91 231 3,4·10 4 α, γ Торий Th 90 232 1,4·10 10 α, γ Актиний Ac 89 227 22 β , γ Радий Ra 88 226 1860 α, γ Радон Rn 86 222 3,8 сут α Полоний Po 84 210 138 сут α Свинец Pb 82 210 22 ч β, γ Кальций Ca 28 48 2·10 16 β Рубидий Rb 37 87 6,16·10 10 β Цирконий Zr 40 96 6,2·10 16 β Индий In 49 115 6·10 14 β Олово Sn 50 124 1,5·10 17 β Сурьма Sb 51 123 >10 14 β Лантан La 57 138 7·10 10 α Цезий Ce 58 142 5,1·10 15 α Вольфрам W 74 180 2,2·10 17 α Висмут Bi 83 209 2,7·10 17 α Искусственные радионуклиды Водород H 1 3 12 β Углерод C 6 14 5700 β Фосфор P 15 32 14 сут β Криптон Kr 30 85 10,4 сут β Стронций Sr 38 89 50 сут β, γ Цирконий Zr 40 95 64 сут β, γ Ниобий Nb 41 95 35 сут β, γ Рутений Ru 44 103 39 сут β, γ Йод I 53 131 8 сут β, γ Цезий Cs 55 134 2 ч β, γ Барий Ba 56 140 13 сут β, γ PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 43 Церий Ce 58 141 33 сут β, γ 4.2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом Корпускулярные частицы ядерного происхождения ( α -частицы, β - частицы, нейтроны, протоны), а также фотонное излучение ( γ -кванты, рентгеновское и тормозное излучение) обладают значительной кинетической энергией. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой орбиты на более удаленную от ядра), а также на ионизацию атомов или молекул среды (т.е. отрыв одного или более электронов от атомов). Упругое взаимодействие характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передать долю энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. Если это атом водорода, равный по массе нейтрону, то передается вся энергия, при этом нейтрон замедляется до энергий порядка долей электрон-вольта, а далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать ему количество энергии, достаточное, чтобы ядро “выскочило” из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды. Аналогично взаимодействие с электроном и фотонов. Самостоятельно они не способны ионизировать среду, но выбивают из атома электроны, которые и производят ионизацию среды. Нейтронное и фотонное излучения относятся к косвенно-ионизирующим излучениям. Заряженные частицы способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская тормозное излучение - разновидность фотонного излучения. Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 44 ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают свою энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо соударяясь в дальнейшем с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, недостающую для ионизации. Как правило, при взаимодействии излучений с веществом имеют место все три вида последствий этого взаимодействия: упругое соударение, возбуждение и ионизация. 4.3. Характеристики радиоактивного излучения. Дозы излучения Порция энергии, переданная излучением веществу, называется дозой. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза Д п - отношение средней энергии ∆ Е, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы вещества ∆ m в этом объеме. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грэй (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг. Поглощенная доза определяет количество энергии, оставшейся в организме и способной разрушать его клетки. Однако различные виды излучения производят разное воздействие на ткани и органы, и биологический эффект действия ионизирующих излучений зависит от плотности ионизации, производимой излучением. Микрораспределение поглощенной энергии на единице пути ионизирующей частицы называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Коэффициент, показывающий, во сколько раз биологический эффект от какого-либо излучения больше, чем от излучения с ЛПЭ, равной 3,5 кЭв, на 1 мкм пути в воде (т.е. мягкого рентгеновского излучения), называется коэффициентом качества (КК) излучения. Для оценки биологического действия ионизирующего излучения, т.е. оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия, введена основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности - эквивалентная доза H. Она определяется как произведение поглощенной дозы данного вида излучения на коэффициент качества ионизирующего излучения в биологической ткани стандартного человека. Единицей эквивалентной дозы в системе PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 45 СИ является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава (весовой состав, в %: водород 10,1; углерод 11,1; азот 2,6; кислород 76,2) на средний коэффициент качества равно 1 Дж/кг. Одни части тела человека (органы, ткани) более чувствительны к воздействию излучения, другие - менее. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения повреждения в легких более вероятны, чем в щитовидной железе; облучение половых желез особенно опасно из-за возможности возникновения генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей следует учитывать с различными коэффициентами. Эти коэффициенты являются показателями радиационного риска для различных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела. Сумма эквивалентных доз отдельных органов и тканей человека, умноженных на соответствующие коэффициенты радиационного риска (табл.4.2), называется эффективной эквивалентной дозой Н e Таблица 4.2 Коэффициент радиационного риска для различных органов или тканей Орган или ткань Коэффициент радиационного риска Красный костный мозг 0,12 Костная ткань 0,03 Щитовидная железа 0,03 Молочная железа 0,15 Легкие 0,12 Половые железы 0,25 Остальные органы (ткани) 0,30 Когда воздействию ионизирующих излучений подвергается большое количество людей, например, непосредственно занятых в работах с источниками ионизирующих излучений на ядерных энергетических установках, в научных лабораториях, на производстве, в медицине, то для оценки полученной ими дозы введена коллективная эквивалентная доза - сумма индивидуальных эквивалентных доз у данного контингента людей за данный промежуток времени. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 46 4.4. Поступление радионуклидов в организм человека В зависимости от расположения источника излучения различают внешнее и внутреннее облучение человека. Внешнее облучение создают природные космические лучи; природные или искусственные излучатели, находящиеся в воздухе, в земле, в стенах помещений; используемые в медицинских целях рентгеновские аппараты; источники специальных промышленных аппаратов, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы. Внутреннее облучение определяется радиоактивными веществами, проникающими внутрь организма человека с вдыхаемым воздухом, пищей, водой. Для радиоактивных газов и кожа является проницаемой мембраной. Попавшие в организм радионуклиды выводятся из него либо вследствие радиоактивного распада, либо в результате биологических процессов выведения. Уменьшение концентрации радиоактивных веществ в организме описывается экспоненциальной функцией: , λ 0 t t e C C − = где C 0 - концентрация радиоактивного вещества в определенный начальный момент времени; C t - концентрация радиоактивного вещества по истечении времени t; λ - константа уменьшения. Радиоактивный распад и биологическое выведение - процессы независимые и происходящие одновременно. Поэтому величина λ обуславливается обоими процессами и носит название константы эффективного выведения ( λ эфф ). Она представляет собой сумму констант радиоактивного распада и биологического выведения. Экспоненциальное уменьшение радиоактивности в биологической системе обычно выражается эффективным периодом полувыведения Т эфф , который представляет собой время, в течение которого организм (орган или ткань) освобождается от половины находящегося в нем радиоактивного вещества в результате процессов радиоактивного распада и биологического выведения. Для долгоживущих изотопов с большим периодом полураспада величина эффективного периода полувыведения определяется только биологическим выведением. При однократном поступлении в организм радионуклида происходит его распад и биологическое выведение из организма. Зная эффективный период полувыведения, можно рассчитать, какое количество радионуклида будет находиться в организме в течение PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 47 определенного времени. Этого достаточно для расчета эквивалентной дозы внутреннего облучения. При хроническом поступлении в организм радионуклидов происходит их постепенное накопление в организме. Однако через определенный промежуток времени, зависящий от скорости обменных процессов и периода радиоактивного полураспада, наступает равновесие, при котором, несмотря на непрекращающееся поступление изотопа, его концентрация, достигнув определенной величины, остается постоянной. Это объясняется тем, что количество радиоактивного вещества, поступающего в орган, ежедневно приближается к количеству вещества, удаляемого из этого органа в процессе обмена веществ. Зная равновесную концентрацию радионуклида в организме, можно определить дозу облучения организма в целом, органа или ткани. 4.5. Механизм биологического действия ионизирующих излучений Действие радиации на живой организм представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов разной интенсивности и продолжительности: физических, физико-химических, химических и биологических. Каждый из них характеризуется определенным типом взаимодействия излучения с веществом и продуктами этого взаимодействия (табл.4.3). Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Ядро считается наиболее чувствительной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромосомы. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), заключенные в хромосомах, несут наследственную информацию; отдельные их участки (гены) расположены в строго определенном порядке. Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), после которой происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток , отличных от исходных. Разрушение жизненно важных для организма молекул происходит не только при прямом попадании в них ионизирующего излучения, но и при косвенном действии, когда непосредственно молекула не поглощает непосредственно энергию излучения, а получает ее от другой молекулы (растворителя), которая первоначально поглотила эту энергию. В этом случае радиационный эффект обусловлен вторичным влиянием продуктов радиолиза растворителя на молекулы ДНК. Вероятность попадания ионизирующих частиц в молекулы ДНК меньше, чем вероятность попадания их в молекулы воды, которая служит основным растворителем PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 48 в клетке. Поэтому радиолиз воды, т.е. распад ее под действием радиации на водородный и гидроксильный радикалы с последующим образованием молекулярного водорода и перекиси водорода, имеет первостепенное значение в радиобиологических процессах. Высокая способность радикалов вступать в химические реакции обуславливает процессы их взаимодействия с биологически важными молекулами, находящимися в непосредственной близости к ним. |