Радиобиология

К содержанию

6. Основы радиоэкологии

Основная цель занятия: ознакомиться с миграцией радионуклидов в биоценозе, осознать реальность опасности радионуклидного загрязнения окружающей среды.

Учебные вопросы:

● Радиоэкология и ее задачи.

● Источники загрязнения внешней среды радиоактивными веществами.

● Миграция радиоизотопов по сельскохозяйственным цепочкам: почва – растение – животное-продукция животноводства.

● Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве, кормах, органах и тканях животных.

● Содержание радионуклидов в объектах ветеринарного надзора в Западной Сибири.

● Дополнительный материал.

● Контрольные вопросы.

● Тест.

Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию ряда наук, в том числе и радиоэкологии.

Радиоэкология - раздел экологии, изучающий концентрацию и миграцию радиоактивных нуклидов в биосфере и влияние ионизирующих излучений на организмы, их популяции и сообщества - биоценозы. Элементы радиоэкологии содержатся в работах по биогеохимии радиоактивных веществ В.И. Вернадского (20-е гг. ХХ в.), в монографии чешских учёных Ю. Стокласа и Ж. Пенкава «Биология радия и урана» (1932). Окончательно радиоэкология сформировалась к середине 50-х гг. ХХ в. в связи с созданием атомной промышленности и экспериментальными взрывами ядерных бомб, вызвавшими глобальное загрязнение окружающей среды радионуклидами стронция, цезия, плутония, углерода и др.

Радиоэкология обычно имеет дело с весьма малыми мощностями хронического внешнего и внутреннего облучения организма. В природных условиях организмы подвергаются облучению за счёт естественного фона радиоактивного (космические лучи, излучения природных радионуклидов U, Ra, Th и др.), а также за счёт радиоактивного загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Однако многие растения и животные способны накапливать в жизненно важных органах и тканях радионуклиды, что влияет на их миграцию в биосфере и приводит к значительному усилению внутреннего облучения организма (см. Аккумуляция радиоактивных веществ). Повышенные дозы облучения, воздействуя на генетический аппарат клеток (см. Генетическое действие излучений), приводят к возрастанию темпов наследственной изменчивости. Более высокие дозы облучения понижают жизнеспособность организмов (вплоть до вымирания наиболее чувствительных к ионизирующим излучениям популяций) и тем самым вызывают изменение структуры биоценозов и обеднение межвидовых взаимоотношений в них.

Выявление закономерностей, лежащих в основе этих процессов, имеет большое значение для ряда отраслей народного хозяйства. Так, особый практический интерес представляют следующие изучаемые радиоэкологией проблемы: миграция радионуклидов в пищевых цепях организмов (в т. ч. сельскохозяйственных  животных и человека); обрыв или ослабление экологических связей; дезактивация  сельскохозяйственных земель, водоёмов и т.п., загрязнённых радионуклидами; поиск поверхностно залегающих месторождений радиоактивных руд (по радиоактивности растений-индикаторов); выявление территорий суши и акваторий, загрязнённых искусственными радионуклидами. Многообразие практических аспектов радиоэкологии привело к её подразделению на морскую, пресноводную, наземную (в т.ч. лесную, сельскохозяйственную), а также ветеринарную и граничащую с ней гигиену радиационную. Результаты радиоэкологических исследований оказали большое влияние на принятие международных конвенций, направленных на ограничение испытаний ядерного оружия и отказ от его применения в условиях войны.

Источники загрязнения внешней среды радиоактивными веществами

Естественные источники радиации

Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов:

- космическое излучение;

- излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;

- излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Облучение по критерию месторасположения источников излучения делится на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека. Источниками внешнего облучения являются космическое излучение и наземные источники. Источником внутреннего облучения являются радионуклиды, находящиеся в организме человека.

Космическое излучение

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это так называемое первичное космическое излучение, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождает вторичное излучение. В результате на уровне моря излучение состоит почти полностью из мюонов (подавляющая часть) и нейтронов.

Поглощенная мощность дозы космического излучения в воздухе на уровне моря равна 32 нГр/ч. За счет космического излучения большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.

Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерное. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Наибольший эффект действия космического внешнего облучения связан с зависимостью космического излучения от высоты. Например, на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/ч, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.
Солнечные вспышки представляют большую радиационную опасность во время космических полетов.

Космогенные радионуклиды

В результате ядерных реакций, идущих в атмосфере (а частично и в литосфере) под влиянием космических лучей, образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды. Например:

n + 14N 3H + 12C , p + 14N n + 14C

В создание дозы наибольший вклад вносят 3H, 7Be, 14C и 22Na, которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.6.1).

Таблица 6.1

Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов

в организм человека

Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

Внешнее облучение от радионуклидов земного происхождения

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 107 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле

В трех радиоактивных семействах: урана (238U), тория (232Th) и актиния (235АС) в процессах радиоактивного распада постоянно образуются 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0,35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.

Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3,8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Около 3% получают в среднем 1 мЗв и около 1,5% более 1,4 мЗв.

Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов:

- экранирование внешнего излучения зданием;

- облучение за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которых построено здание.

В зависимости от концентрации изотопов 40К, 226Ra и 232Th в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4 10-8 дО 12 10-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных. В табл. 6.3 приведены данные о фоновом облучении в некоторых городах.

Таблица 6.3

Среднегодовые дозы внешнего фонового облучения

в некоторых городах

Внутреннее облучение от радионуклидов земного происхождения

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40К, 87Rb и нуклиды рядов распада 238U и 232Th (табл.6.4).

Таблица 6.4

Среднегодовая эффективная эквивалентная доза внутреннего облучения

Средняя доза внутреннего облучения за счет радионуклидов земного происхождения составляет 1,35 мЗв/год. Наибольший вклад (около 3/4 годовой дозы) дают не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и продукты его распада. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для различных точек Земного шара. Однако большую часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом непроветриваемом помещении. В зонах с благоприятным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Источниками радона являются также строительные материалы. Так, например, большой удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза, кальций-силикатрий шлак и ряд других материалов. Радон проникает в помещение из земли и через различные трещины в межэтажных перекрытиях, через вентиляционные каналы и т.д. Источниками поступления радона в жилые помещения являются также природный газ и вода (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Мощность излучения различных источников радона

Доля домов, внутри которых концентрация радона и его ядерных продуктов равна от 103 до 104 Бк/см3, составляет от 0,01 до 0,1% в различных странах. Это означает, что значительное число людей подвергаются заметному облучению из-за высокой концентрации радона внутри домов, где они живут.
В качестве удобрений ежегодно используются несколько десятков миллионов тонн фосфатов. Большинство разрабатываемых фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий в довольно высокой концентрации. Содержащиеся в удобрениях радиоизотопы проникают из почвы в пищевые продукты, приводят к повышению радиоактивности молока и других продуктов питания.

Таким образом, эффективная доза от внутреннего облучения за счет естественных источников (1,35 мЗв/год) в среднем примерно в 2 раза превышает дозу внешнего облучения от них (0,65 мЗв/год). Следовательно, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения от естественных источников радиации в среднем равна 2 мЗв/год. Для отдельных контингентов населения она может быть выше. Причем максимальное превышение над средним уровнем может достигать одного порядка.

Радиация от источников, созданных человеком

(искусственные источники излучения)

В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения. В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли вместе с углем, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными материалами. Сюда относятся геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 41014 Бк изотопа 222Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии; фосфорные удобрения, содержащие 226Ra и 238U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите); уголь, сжигаемый в жилых домах и электростанциях, содержит естественные радионуклиды 40К 232U и 238U в равновесии с их продуктами распада. Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрирует табл. 6.6.

Таблица 6.6

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и

различных искусственных источников излучения

За последние несколько десятилетий человек создал несколько тысяч радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, в технике, медицинских целях и др. Это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Иногда облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников.

В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиактивное облучение при диагностике и лечении. В развитых странах на каждую тысячу населения приходится от 300 до 900 таких обследований в год не считая массовой флюорографии и рентгенологических обследований зубов. Для исследования различных процессов, протекающих в организме, и для диагностики опухолей используются также радиоизотопы, вводимые в организм человека. В промышленно развитых странах ориентировочно проводят 10-40 обследований на 1 млн жителей в год. Коллективные эффективные эквивалентные дозы составляют 20 чел.-Зв на 1 млн жителей в Австралии и 150 чел.-Зв в США.

Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет 1 мЗв в год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Испытания ядерного оружия

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарным энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и др.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг., стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения.

В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание. Испытания в атмосфере в СССР были завершены в 1962 г., подземные взрывы на Семипалатинском полигоне - в 1989 г., на Северном полигоне - в 1990 г. Франция и Китай до последнего времени продолжали испытывать ядерное оружие. По оценкам, во второй половине ХХ в. за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81 1021 Бк продуктов ядерного деления (ПЯД), из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84%. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы (рис. 6.1-6.3).

Продукты ядерного деления (ПЯД) представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, 49 и 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Кроме ПЯД радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности ( 3Н, 14С., 28Al, 24Nа, 56Mn, 59Fe, 60Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах.

При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков (при наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу (на высоту 10-15 км), где происходит их глобальное рассеивание и в значительной степени распад. Нераспавшиеся радионуклиды выпадают по всей поверхности Земли. Дозы облучения населения от глобальных выпадений незначительны (табл. 6.7).

Таблица 6.7

Дозы облучения населения от глобальных выпадений в год

Для региона Западной Сибири проблема стратосферных и тропосферных радиоактивных выпадений вследствие испытаний ядерного оружия и аварий на объектах ЯЭЦ весьма актуальна. Так, при взрыве атомной бомбы на Тоцком полигоне в Оренбургской области 14 сентября 1954 г. на высоте 350 м образовались высокодисперсные радиоактивные частицы (20–40 мкм), которые выпали в основном в северных районах Новосибирской области, обусловив дозовую нагрузку от 0,1 до 0,5 мГр (Боганов, Лобарев и др., 1993).

Радиоактивный след взрывов Семипалатинского испытательного полигона (СИП) в большинстве случаев проходил по территории Алтайского края, Новосибирской, Томской и Кемеровской областей из-за преобладания в течение года юго-западных ветров (Исаева, 1996; Якубовская, 2000).

На следующий день после низковысотного воздушного взрыва 17 сентября 1961 г. ядерного заряда мощностью 150 кт в Новосибирске (640 км от СИП) был зафиксирован суточный максимум суммарной бета-активности атмосферных выпадений – 641,6 мКи/км2 сут. – более чем в 4000 раз выше современного фонового значения. В Камне-на-Оби соответствующий показатель составлял 662,7 мКи/км2 сут. (Барахтин, 2001).

В Барнауле (540 км от СИП) зарегистрировали наибольший уровень радиоактивности осадков – 645,1 мКи/км2 сут. – эхо наземного десятикилотонного взрыва 7 августа 1962 г.

Влияние воздушных взрывов термоядерных устройств Новоземельского (Северного) полигона (1955 –1963) на радиоактивное загрязнение Западно-Сибирского региона заметно проявилось в октябре 1958 г., когда активность атмосферных выпадений в Новосибирске составила 89,6 мКи/км2 сут. В период 1961-1962 гг. соответствующий показатель в городах региона доходил до 123,0 мКи/км2 сут. (Барнаул, 7-8 сентября 1962 г.).

В 1959–1962 гг. содержание глобальных радионуклидов в почвах Новосибирской области превышало среднемировые уровни соответственно в 146,9–34,7 раза.

Годовые дозы облучения населения коррелируют с частотой испытаний. Так, в 1963 г. коллективная среднегодовая доза, связанная с ядерными испытаниями, составила 7% дозы облучения от естественных источников. К 1966 г. она снизилась до 2%, а к началу 80-х годов уменьшилась до 1%. В дальнейшем формирование доз будет происходить практически только за счет 14C.

Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех испытаний, произведенных к настоящему времени, составит в будущем около 3 107 чел-Зв. К 1980г. человечество получило лишь 12% этой дозы. Из этой суммарной дозы основной вклад дадут следующие радионуклиды (табл. 6.8):

Таблица 6.8

Суммарная ожидаемая коллективная доза радионуклеидов

Рисунки 6.1-6.3 содержат сведения об испытаниях ядерного оружия в атмосфере и вызванных ими образованиях различных радионуклидов.

Атомная энергетика

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции, не загрязняет атмосферу дымом и сажей. Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

В процессе работы ядерных реакторов в них накапливается огромное количество продуктов ядерного деления и трансурановых элементов.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых (за исключением изотопа 85Кг) в основном не превышают нескольких суток. Эти нуклиды образуются в процессе деления урана и могут просачиваться через микротрещины в оболочках ТВЭлов (тепловыделяющие элементы, содержащие внутри себя уран); 90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами (йод, ИРГ), население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0,5 бэр/год).

Долгоживущие продукты выброса (137Сз, 90Ce,85Кг и др.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел.-Зв на каждый гигаватт вырабатываемой электроэнергии.

Пути поступления радионуклидов во внешнюю среду

Радиоактивные вещества естественного и техногенного происхождения поступают во внешнюю среду, загрязненяя  атмосферу, гидросферу, почву.

Радионуклиды, загрязняющие внешнюю среду, имеют различное происхождение и физико-химические свойства. Часть из них представляют собой осколки и продукты радиоактивного распада этих осколков при делении ядер. Радиоактивные вещества могут распространяться в виде радиоактивного облака, состоящего из летучих веществ и частиц различных размеров. Радиоактивные вещества, состоящие из частиц, осаждаются в виде радиоактивных выпадений, распределение которых зависит главным образом от метеорологических условий.

Химические свойства радионуклидов обусловлены местом расположения элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Высокой химической активностью обладают радионуклиды элементов I-й группы и галогенов, которые не образуют труднорастворимых соединений, менее подвижны нуклиды щелочно-земельных элементов. Наименьшей химической активностью обладают радионуклиды редкоземельных элементов, таких как цирконий и ниобий, а также радионуклиды трансурановых элементов.

При радиационных авариях на атомных электростанциях происходит выброс в окружающую среду большого количества радиоактивных веществ, которые загрязняют среду обитания всего живого на Земле, в том числе и сельскохозяйственные угодья. При этом установлено, что основное воздействие излучения на население обусловлено потреблением продуктов питания, выращенных на загрязненных территориях, в основном молока.

При радиационной аварии выделяют несколько периодов в развитии радиационной ситуации. Первый период называют периодом йодной опасности. Он наблюдается сразу после выброса радионуклидов в атмосферу. Вследствие короткого периода полураспада изотопов йода этот период непродолжителен и завершается в течение нескольких месяцев. Через 2 мес после завершения основных выбросов на Чернобыльской АЭС количество 1311 уменьшилось в 250 раз. При поедании животными загрязненных йодом кормов происходит его интенсивный переход в молоко и мясо.

Второй период в развитии радиационной обстановки начинается после распада короткоживущих радионуклидов и сопровождается преимущественно некорневым загрязнением кормовых угодий. Заканчивается этот период с завершением первого послерадиационного срока вегетации растений.

Третий период радиоэкологической ситуации в агропромышленном комплексе начинается со второго срока вегетации растений после радиационных выпадений. В этот период основным путем поступления радионуклидов в растения является корневой. Продолжительность периода может быть несколько десятков лет, если в составе аварийных выбросов присутствует большое количество долгоживущих изотопов 137Cs, 90Sr, 239Pu и др.

Миграция радиоизотопов по сельскохозяйственным цепочкам:

почва – растение – животное – продукция животноводства

Радиоактивные продукты ядерного деления, выпадая либо сами по себе («сухие» осадки) либо чаще с атмосферными осадками («мокрые» осадки), а также радиоактивные отходы включаются в компоненты биосферы — абиотические (почва, вода) и биотические (флора, фауна) и принимают участие в биологическом цикле круговорота веществ.

Наиболее короткий путь поступления радиоактивных продуктов деления в организм человека кроме непосредственного попадания из атмосферы - через сельскохозяйственные растения и животных. При этом продукты деления могут попадать в организм человека как непосредственно через растительную пищу, так и через животных, питающихся растениями, содержащими радиоактивные вещества (рис. 6.4).

Рис.6.4 Путь поступления радиоактивных

Из радиоактивных продуктов деления в первый период наибольшую опасность представляют изотопы йода вследствие наиболее высокого относительного содержания их и значительной биологической токсичности. В последующем основную роль играют 90Sr и 137Cs из-за их относительно высокой энергии излучения, большого периода полураспада и способности активно включаться в биологический круговорот веществ (почва - растения - животные - человек). Эти изотопы способны надолго задерживаться в организме че­ловека и животных. При поступлении с кормом в организм 90Sr его постоянным неизотопным носителем служит кальций, а для 137Cs - калий. В организме животных калий и кальций представлены как макроэлементы. При исследовании закономерностей передвижения 90Sr и 137Cs от одного объекта биосферы к другому было замечено, что первый ведет себя сходно с кальцием, второй - с калием. Это обстоятельство имеет большое практическое значение для радиохимической экспертизы. Например, установлено, что при равных условиях в объектах биосферы, загрязненных радионуклидами, максимальная концентрация ^°Sr всегда обнаруживается в органах (продуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлупа), а максимальная концентрация I37Cs - в объектах, богатых калием (например, мышцы).

На основании определенной пропорциональности накопления 90Sr и кальция, 137Cs и калия в биологических объектах количество радиоактивного стронция или радиоактивного цезия выражают не в абсолютных величинах, а в относительных по отношению к кальцию или калию.

Содержание 90Sr по отношению к кальцию в почвах, растениях, молоке и тканях животных при таком расчете выражают в стронциевых единицах (СЕ).

Под стронциевой единицей понимают отношение активности (нКи) 90Sr, содержащегося в 1 кг исследуемого образца, к концентрации в нем кальция (г/кг).

Частное от деления числа СЕ в данной пробе на число СЕ в предшествующем звене биологической системы называют коэффициентом дискриминации КД 90Sr по отношению к кальцию:

КД= С Е в пробе/ СЕ в предшественнике

По величине СЕ в пробе можно приблизительно вычислить зна­чение СЕ в предшественнике, для этого СЕ пробы делят на КД.

Аналогично рассчитывают содержание 137Cs по отношению к калию в цезиевых единицах (ЦЕ). Однако цезиевыми единицами перестали пользоваться, когда выяснилось, что в процессе перехода по некоторым звеньям биосферы 137Cs нe испытывает дискриминации и в обмене далеко не всегда сходен с калием и вообще связан с ним меньше, чем 90Sr с кальцием.

Отметим, что многие вопросы закономерностей перехода радио­нуклидов в звеньях биологических цепей остаются еще слабо изу­ченными.

Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве, кормах, органах и тканях животных

Поведение радионуклидов в почве

Почва является пусковым звеном массоэнергообмена в экосистемах. Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу, в конечном счете оказываются в почве. Дальнейшая их судьба определяется горизонтальной и вертикальной миграцией, а также фиксацией почвенными элементами.

Горизонтальное перемещение радионуклидов обусловлено ливневым стоком и смывом талыми водами. Причем 80–100 % 90Sr в талых водах находится в растворенном состоянии.

Вертикальная миграция радионуклидов связана с их перемещением в ионной форме и с сорбирующими частицами. На обрабатываемых сельскохозяйственных землях радиоактивные вещества относительно равномерно распределяются в пределах пахотного горизонта. Перенос их на большую глубину возможен благодаря разрыхлению почвы дождевыми червями и землероющими животными. На целинных землях, естественных лугах и пастбищах радионуклиды фиксируются преимущественно в верхнем пятимиллиметровом слое, и их вертикальное перемещение не превышает нескольких миллиметров в год.

Величина и характер почвенной радиоактивности зависят от радиационной емкости почв, которая определяется:

- физической сорбционной способностью, зависящей от пористости, количества почвенного раствора в порах и его ионного состава;

- химической поглотительной способностью (образованием труднорастворимых и нерастворимых соединений с элементами почвы);

-  биологической поглотительной способностью (включением в структуру микроорганизмов).

Радиационная (сорбционная) емкость для разных типов почв изменяется в диапазоне n·10 - n·100 мКи/кг. Это в сотни тысяч раз больше максимального загрязнения почв от аварий на ЧАЭС и ПО «Маяк».

Скорость проникновения радионуклидов в прикорневую глубину определяется прочностью их связей с твердой фазой почв, скоростью диссоциации и последующего ионного перемещения, зависящих от их химических свойств.

На необрабатываемых землях радионуклиды циркулируют по схеме почва – растение – почва. Причем, по свидетельству Л.Н. Михайловской (1995), удельная активность наземного опада по 137Cs и 90Sr в почвах Якутии составляла 244 и 149 Бк/кг, что превышало аналогичные показатели на глубине 5–10 см соответственно в 1,8 и 1,1 раза. Это подтверждает данные Р.Г. Ильязова (1996) и С.П. Просянникова (1995) о гораздо более высоких коэффициентах накопления  радиоцезия (10–1000) по отношению к радиостронцию (1–10).

Период полуочищения корнеобитаемых слоев почвы составляет 129 лет (Пивоваров, Михалев, 2004).

Поведение радионуклидов в воде

Значительная часть (до 80%) радионуклидов из атмосферы и почвы поступает в водные объекты, являющиеся в своей совокупности самым мощным глобальным депо для поллютантов. Величина стока радионуклидов зависит от характера их взаимодействия с почвой. Так, период полуочищения почвы от 90Sr через сток талых и дождевых вод составляет 2,4 года, а от 137Cs – 0,3 года.

Поступая через эстуарии в моря, радионуклиды первоначально находятся в верхних горизонтах, затем мигрируют вниз. На глубине 700 м содержание 90Sr в 4 раза ниже, чем в поверхностных слоях. В океанской воде за счет разбавления концентрации радиостронция и радиоцезия снижаются на порядок.

Включение радионуклидов в трофические цепи через первоначальное накопление в донных отложениях особенно активно происходит в прибрежных водах. Это обусловлено:

1) сорбцией и осаждением радионуклидов крупнодисперсной фракцией стоков;

2) высокой биологической и биохимической активностью био- и литогенной взвеси, поднимающейся со дна во время шторма, захватывающей и осаждающей радионуклиды;

3) большим количеством и высокой биологической активностью биогенной массы прибрежных вод.

Наибольшая концентрация радионуклидов характерна для гидробионтов и особенно для планктона. Наблюдается снижение скорости и величины накопления 137Cs и 90Sr с увеличением степени минерализации воды. Например, в скелете рыб Балтийского моря содержание радиостронция в 5 раз выше, чем в костях рыб Атлантического океана. В биомассе пресноводных обнаружено максимальное содержание радионуклидов.

В гидробионты радиоизотопы поступают непосредственно из воды и по трофическим цепям. Наибольшее поглощение (коэффициенты накопления свыше 10000) осуществляется в верхних слоях – планктоном и нектоном. До 99% радионуклидов уходит в донные отложения с отмершими одноклеточными с последующим включением в трофические цепи. Это самый эффективных вид биологической дезактивации гидросферы.

По мере миграции по трофическим уровням коэффициенты накопления снижаются до 360 у зоопланктона и 33 у рыб. Отмечается существенное повышение значений коэффициентов накопления для «экологически новых» изотопов. Так, аккумуляция 55Fe в зоопланктоне в 670 раз выше по отношению к стабильному изотопу. Малые дозовые нагрузки стимулируют митотическую активность и сорбционную способность биомассы на всех трофических уровнях. Этим отчасти объясняется более эффективная биологическая очистка пресноводных водоемов по сравнению с морскими.

Период полуочищения непроточных водоемов средней полосы России от 137Cs и 90Sr составляет 10–20 лет. Радиоцезий преимущественно накапливается в грунте, а радиостронций равномерно распределяется между грунтом, водой и биомассой.

Коэффициенты накопления радионуклидов в грунте дна пресноводных водоемов составляют около 10, в иле – 400–4000, в планктоне – до 1000, в высшей водной растительности – 200–1000.

Накопление радионуклидов растениями

Радионуклиды поступают в растения через наземные органы (при аэральном выпадении) и через корни. Специфика аэрального поступления – неселективная адсорбция всех радионуклидов, попавших на надземные части растений. Период полуочищения у сельскохозяйственных растений в этом случае составляет от 7 до 17 суток (в зависимости от физико-химических свойств радионуклидов, дисперсности аэрозоля и биологических особенностей растений). Возможно вторичное аэральное радиоактивное загрязнение в результате подъема почвенного покрова ветром или дождем. В 1980-х годах доля пылевого радионуклидного загрязнения в Нечерноземной зоне России составляла 0,3–1,4% для зерна и 3–4% для вегетативных органов зерновых культур. У луговых трав этот вклад был несколько выше – 6–14 % (Gline, 1981; Черников, Чекерес, 2000).

При почвенном поступлении корни растений поглощают радионуклиды селективно согласно законам минерального питания растений. Определяющими здесь являются следующие группы факторов:

1. Физико-химические свойства радионуклидов;

2. Физико-химические свойства почвы;

3. Биологические особенности растений;

4. Агротехника культур.

Видовая вариация в аккумуляции 137Cs и 90Sr может доходить до 30, а сортовая – до 7 раз.

Скорость переноса радионуклида по трофическим цепочкам зависит от количества изотопных и неизотопных носителей, сопровождающих этот процесс.

В звене почва – растение наблюдается более интенсивное усвоение растениями 90Sr по отношению к 137Cs, а в звеньях растение – животное, растение – человек и животное – человек, наоборот, возможен переход через энтерогематологический барьер до 100% радиоцезия и, как максимум, только 40% радиостронция (Асташева, Романов, 1991).

Содержание 137Cs в травостое естественных пастбищ со временем становится на один-два порядка ниже уровня 90Sr благодаря его быстрой миграции в почву и фиксации ее минеральной частью (Анненков, Юдинцева, 1991).

Для снижения степени загрязнения звеньев трофических цепей рекомендуют скашивать травостой в течение первых двух недель после разового выпадения радионуклидов.

В условиях поливного земледелия наблюдается резкое повышение скорости миграции радионуклидов в системе вода – почва – растение. Так, при дождевании радионуклиды поступают непосредственно в надземные части растений минуя почвенное сорбирующее звено. В зерне озимой пшеницы при поливе дождеванием содержание 90Sr было в 17–83 раза выше, чем на богарных землях. Для менее мобильного 137Cs эта разница достигала 700–1400 раз.

Таким образом, интенсивность миграции и накопления радионуклидов зависит от их физико-химических свойств, биологических особенностей растений и условий их произрастания.

Содержание радионуклидов в объектах ветеринарного надзора в Западной Сибири

Многие территории Западной Сибири, испытывающие постоянное техногенное давление, загрязнены радионуклидами. К настоящему времени проведен мониторинг, определен средний уровень радионуклидов в кормах и других продуктах растениеводства Западно-Сибирского региона. Это особенно важно для прогнозирования поступления радиоизотопов в организмы животных и человека, корректировки рационов сельскохозяйственных животных, а также для сравнительных исследований радионуклидного загрязнения разных регионов России.

Анализ содержания радионуклидов в продукции растениеводства, производимой сельскохозяйственными предприятиями Новосибирской, Томской и Кемеровской областей, показал, что ни в одной пробе накопление Cs-137, Sr-90, Pb-210 не превышает предельно допустимых уровней (ПДУ), предусмотренных СанПиН 2.3.2.1078 – 01, ВП 13.5.13/06–01 и КУ–94. Так, например, среднее содержание радиоцезия в объекте с максимальной аккумуляцией радиоактивных изотопов – сене из естественных трав трех областей – составило всего 0,002 ПДУ.

На наш взгляд, это обусловлено относительно большой экологической емкостью природных и природно-антропогенных систем, позволяющей существенно снизить техногенное давление на объекты окружающей среды.

Агроценозы Западно-Сибирского региона, с одной стороны, испытывают негативное воздействие урбанизированных зон, с другой – рекреационное влияние практически не нарушенных экосистем – заболоченных и лесных территорий с развитой структурой объектов гидросферы. Кроме того, лесные массивы задерживают большую часть радиоактивных аэрозолей, существенно снижая загрязнение земель сельскохозяйственного назначения.

Особое внимание следует обратить на роль почв в миграции радионуклидов по трофическим цепям. Как основной компонент агроценоза почва оказывает определяющее влияние на интенсивность включения радиоактивных веществ в растения. Почвы Западной Сибири отличаются значительным содержанием мелкодисперсных компонентов, для которых характерно преобладание интрамицеллярного поглощения, когда микроколичества радионуклидов не только более полно сорбируются (в сравнении с экстрамицеллярным поглощением), но и более прочно закрепляются в поглощенном состоянии, попадая внутрь кристаллической решетки минералов.

Последние десятилетия относительного благополучия в отношении радиоактивных загрязнений территорий российских регионов привели к переходу подавляющей части радионуклидов в почвенном поглощающем комплексе (ППК) из водорастворимой и обменной форм в прочно фиксированную – необменную, не доступную растениям.

По сравнению с наиболее загрязненными радиоактивными веществами территориями России ситуация с загрязнением кормов и продукции растениеводства в изучаемых областях Западной Сибири более благоприятная. Средние уровни 137Cs, 90Sr и 210Pb в траве и сене из естественных и сеяных трав, соломе, силосе, сенаже, комбикорме, зернофураже, картофеле, моркови и свекле составляли от сотых до тысячных долей ПДУ.

Однако, несмотря на сходство почвенно-климатических характеристик, отмечались существенные различия по накоплению изучаемых радионуклидов в различных областях.

Сравнительный анализ содержания радионуклидов

в кормах Новосибирской, Томской и Кемеровской областей

Рис. 6.5. Содержание 137Cs в кормах, пКи/кг

Рис. 6.6. Содержание 90Sr в кормах, пКи/кг

Таблица 6.9

Содержание радионуклидов

в кормах юга Западно-Сибирского региона, пКи/кг

Сравнительный анализ содержания радионуклидов в продукции животноводства

в Новосибирской, Томской и Кемеровской областях

Продукты животноводства, в первую очередь молоко и мясо, являются важным источником поступления радионуклидов в рацион.

С мясом и мясопродуктами в организм человека переходит около 26% радионуклидов. Весьма актуальной является проблема нормирования и контроля содержания радиоактивных элементов в объектах сельскохозяйственного производства.

Рис. 6.7. Содержание 137Cs в мясе и костях животных из Новосибирской и Томской областей

Рис. 6.8. Содержание 90Sr в мясе и костях животных из Новосибирской и Томской областей

На основании этих данных можно сделать вывод о том, что в Новосибирской области концентрация радиоактивного цезия в говядине (1999) в 1,6 раза, а стронция – в 19,6 раза больше, чем в среднем по Российской Федерации. В Томской области аккумуляция 137Cs в говядине почти в 3 раза ниже, а концентрация 90Sr находится примерно на уровне фонового содержания по РФ.

Одной из актуальных задач на сегодняшний день является проведение постоянного мониторинга содержания радионуклидов в  продукции птицеводства, особенно в мясе птиц, яйце. Важно знать содержание радионуклидов в пухе, пере птиц, т.к. перо птицы может быть использовано в качестве индикатора негативного влияния радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Проанализировав пробы продукции птицеводства Новосибирской области и Томской области на содержание 137Cs и 90Sr, можно констатировать, что накопление 137Cs в продукции птицеводства составляло сотые доли ПДК.

Таблица 6.10

Содержание 137Cs,  90Sr в продукции птицеводства Новосибирской области, Бк/кг

Рис. 6.9. Содержание 137Cs в молочной продукции Новосибирской области

Рис. 6.10. Содержание 90Sr в молочной продукции Новосибирской области

Рис. 6.11. Динамика накопления 137Cs и 90Sr в молоке

Аккумуляция радионуклидов в продукции рыболовства

Материал для исследований получен из промысловых уловов р. Обь на территории Новосибирской области, а также морской (сельдь тихоокеанская) и речной (осетр, горбуша) рыбы, поступившей в торговую сеть в 1994–1999 гг. Кроме того, был проведен анализ накопления радионуклидов в гаммарусе, выловленном в водоемах Чано-Барабинской озерной системы.

В результате исследований установлено, что аккумуляция 137Cs в речной и морской продукции находилась на уровне 0,02 – 0,07 ПДК.

Среди всех видов рыбы более высокий уровень аккумуляции 137Cs отмечен в леще. Содержание этого радионуклида в сазане почти в 3 раза (Р < 0,001), а в судаке и щуке соответственно в 2,7 и 2,4 раза ниже (Р < 0,05).

Степень аккумуляции 90Sr во всей анализируемой рыбе, а также в раках и гаммарусе соответствует действующим санитарным нормам.

Среди рыбы, выловленной в местных водоемах, наблюдается тенденция более высокого содержания радиоактивного стронция в хищной рыбе. Так, в судаке уровень аккумуляции этого радионуклида в 2,6 раза выше, чем в леще.

Таблица 6.11

Содержание 137Cs,  90Sr в продукции рыболовства, Бк/кг