4.3. Особливості надходження та виведення із організму людини радіонуклідів

Радіонукліди, які потрапляють в організм з продуктами харчування, питною водою, повітрям, через шкіру або пошкодження на ній розподіляються в тканинах і органах в залежності від їх резорбційної (лат. resorbere – поглинати) здатності.

Рис. 4.2. Основні шляхи виведення радіонуклідів з організму людини.

Радіонукліди, які надійшли в організм, опромінюють його до моменту виведення з організму чи розпаду. Ефективність біологічного виведення радіонуклідів із організму характеризується біологічним періодом напіввиведення, а розпаду – періодом напіврозпаду. В найзагальнішому випадку користуються поняттям ефективного періоду напіввиведення радіонукліду із організму, тобто часом, протягом якого ефективність радіонукліду зменшується у два рази:

,

де Т_еф – ефективний період напіввиведення, – біологічний період напіввиведення, – період напіврозпаду радіонукліду.

Основні шляхи виведення радіонуклідів з організму людини наведено на рис. 4.2.

Принципове значення також має щільність іонізуючого випромінювання, тобто біологічна ефективність, яка визначається щільністю іонізації.

Серед великої кількості радіонуклідів природного і штучного походження основний внесок у формування дози опромінення людини роблять тільки деякі з них.

Тритій (³Н). Цей радіонуклід утворюється у верхніх шарах атмосфери при взаємодії нейтронів вторинного космічного випромінювання з ядрами атома нітрогену: ¹⁴N + n → ¹²C + ³H; при розщепленні ядер різних елементів космічними променями великих енергій; в термоядерних реакціях, які відбуваються під час вибуху водневої бомби. Період напіврозпаду ³Н складає 12 років. Йому притаманне низькоенергетичне (максимальна енергія 0,018 МеВ) β-випромінювання.

Тритій – це безбарвний газ, він здатний окислюватися в повітрі. Оксид і газоподібний тритій добре всмоктуються крізь шкіру і слизові оболонки. Пара тритієвої води (³Н₂О) і газоподібний тритій всмоктується також через дихальні шляхи. Можливим шляхом надходження тритієвої води в організм є шлунково-кишковий тракт.

Тритій, який потрапив в організм людини, швидко і рівномірно розподіляється в рідкому середовищі. Він існує у вигляді двох окремих сполук – вільної тритієвої води і органічно зв’язаного тритію. Ефективний біологічний період напіввиведення із організму людини тритію з тритієвого водню становить 9,7 діб, а органічно зв’язаного – з двома періодами Т₁ = 30 діб і Т₂ = 450 діб, що визначається різним виведенням з окремих органів.

Основні шляхи виведення тритію із організму – нирки, органи дихання і шлунково-кишковий тракт, а також слинні, потові та молочні залози.

Карбон (¹⁴С). Відомо шість радіоактивних нуклідів карбону з масовими числами 9 – 11, 14 – 16. Найбільше значення з точки зору радіаційної небезпеки становить ¹⁴С. Період напіврозпаду цього радіонукліду складає 5730 років, це β-випромінювач (максимальна енергія 0,156 МеВ).

Радіонуклід ¹⁴С постійно утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок взаємодії нейтронів космічного випромінювання з ядрами нітрогену: ¹⁴N + n → ¹⁴C + p; в ядерних реакціях при вибуху ядерних бомб; в ядерних реакторах та при регенерації ядерного палива, звідки з атмосферними викидами і стічними водами може потрапити у довкілля.

У процесі фотосинтезу ¹⁴С накопичується в рослинах. В організмі людини ¹⁴С засвоюється переважно при його надходженні в шлунково-кишковий тракт з продуктами харчування, внесок інгаляційного шляху не перевищує 1%.

Виводиться ¹⁴С переважно через легені у формі ¹⁴СО₂, а також з сечею та калом. Вміст ¹⁴С у повітрі, що видихається, сечі та калі залежить від розчинності сполук, які його містять, резорбційної здатності тощо. Це ж стосується і молока.

Виведення ¹⁴С із органів і тканин з високим рівнем метаболічних процесів (печінка, нирки, легені) визначає перший короткий період напіввиведення. З жирової і кісткової тканини ¹⁴С виводиться повільніше, що визначає термін другого періоду напіввиведення. Так, наприклад при внутрішньошлунковому надходженні К₂¹⁴СО₃ за 4 год через легені у формі ¹⁴СО₂ виводиться приблизно 90% ¹⁴С, з сечею 1-2%. За такого ж способу введення Ba¹⁴СО₃ у вигляді суспензії з глюкозою виділення ¹⁴С через легені у формі ¹⁴СО₂ за 1 год складає 45%, а за 12 год – 85%.

При надходженні ¹⁴С в організм з органічними сполуками він накопичується в тканинах у більших кількостях і повільніше виводиться в порівнянні з неорганічними сполуками.

Фосфор (³²Р). Відомо шість радіонуклідів фосфору з масовими числами 28 – 30; 32 – 34. Найпоширенішим є ³²Р. Основним його джерелом надходження в довкілля є підприємства з виготовлення плутонію, ядерні вибухи. Йому притаманний високий коефіцієнт накопичення (10 – 100) у сільськогосподарських рослинах. Період напіврозпаду ³²Р складає 14,3 доби, це β-випромінювач (максимальна енергія 1,71МеВ).

У разі надходження ³²Р до організму він швидко всмоктується і розповсюджується по органах і тканинах. У ранні терміни, після всмоктування в шлунково-кишковому тракті (до 1 доби) найбільше ³²Р накопичується в печінці та нирках, а у більш пізніші (1–5 діб) – у кістковій тканині, де його вміст може досягати 25 – 30%.

Виводиться ³²Р із організму через нирки і шлунково-кишковий тракт. Співвідношення виведення ³²Р з сечею та калом при внутрішньошлунковому надходженні складає 0,75:0,25. Біологічний період напіввиведення із внутрішньоклітинних рідин становить 2 доби, із м’яких тканин – 19 діб. Як уже відмічалося, приблизно 30 % від усього ³²Р, який потрапив в організм, переходить у кісткову тканину, де утримується дуже міцно.

Калій (⁴⁰К). Період напіврозпаду радіонукліду є 1,28∙10⁹ років, він один із тих, що визначають радіоактивний фон Землі. За типом β-розпаду (максимальна енергія 1,33 МеВ) 89% ядер ⁴⁰К перетворюються в ⁴⁰Са, а решта 11% – шляхом електронного захоплення (К-захоплення) перетворюються в ⁴⁰Ar, випромінюючи γ-промені (енергія 1,46 МеВ).

Радіонуклід ⁴⁰К потрапляє в організм головним чином з їжею та водою. Практично він повністю всмоктується із шлунково-кишкового тракту і майже рівномірно розповсюджується по органах і тканинах. Вміст ⁴⁰К у м’язах складає приблизно 52,4%.

Основний шлях виведення ⁴⁰К із організму – це з сечею. Біологічний період напіввиведення ⁴⁰К складає в середньому 58 діб. В залежності від віку він може бути швидшим (у дітей) або повільнішим (у дорослих).

Стронцій (⁹⁰Sr). Радіонукліди стронцію мають масові числа 77 – 83, 85, 89 – 99. При діленні ²³⁵U утворюються ⁸⁸Sr, ⁸⁹Sr і ⁹⁰Sr з виходом відповідно 3,57; 4,79 і 5,77%, а також короткоживучі ізотопи з масовими числами 91 – 97. Радіонукліди стронцію, як певні аналоги кальцію, беруть активну участь в метаболічних процесах. Найнебезпечнішим для організмів є ⁹⁰Sr, який має відносно великий період напіврозпаду – 29,12 років. Після радіоактивного розпаду ⁹⁰Sr перетворюється в ітрій (⁹⁰Y), період напіврозпаду якого складає 64,3 год. Середня енергія β-часток, які випромінюються при перетворенні ядра ⁹⁰Sr, дорівнює 0,21 МеВ, а ⁹⁰Y – 0,87 МеВ.

Завдяки повільному розпаду, відносний вміст ⁹⁰Sr в суміші продуктів ділення урану поступово збільшується, і через 3 місяці частка ⁹⁰Sr становить 13% сумарної активності, а через 20 років – 25%.

Радіонукліди стронцію потрапляють до організму через шлунково-кишковий тракт, легені та шкіру. Ступінь всмоктування в кишковику стронцію коливається від 5 до 100% в залежності від розчинності сполук, які його містять. Всмоктування стронцію залежить від багатьох причин. Так, цей процес знижується зі збільшенням віку, з підвищення вмісту кальцію і фосфору в продуктах харчування тощо.

Незалежно від шляху надходження радіонукліди стронцію вибірково накопичуються в скелеті (до 90%). При надходженні до легенів він може тривалий час там перебувати.

Виводиться стронцій переважно з калом і сечею. При внутрішньо-шлунковому надходженні більше виділяється з калом. Встановлено декілька біологічних періодів напіввиведення, які пов’язані з виведенням із різних тканин. Так, 70% ⁹⁰Sr у людини виводиться до 30 діб, 15% - 50 діб, а 15% виводиться повільно – 160 діб і більше (з кісткової тканини).

Йод (¹³¹І). Відомі радіонукліди йоду з масовими числами 115 – 126, 128 – 141. В ядерних реакторах та за ядерних вибухів утворюються ¹²⁹І, ¹³¹І, ¹³²І і ¹³³І при діленні урану і плутонію з виходом відповідно 0,8; 3,1; 7,4 і 6,9%. Радіонуклід ¹³¹І утворюється в літосфері та гідросфері при спонтанному діленні урану. За звичайних умовах режиму експлуатації ядерних реакторів викиди радіонуклідів йоду невеликі. Але за аварійних ситуацій вони значно посилюються. Основний внесок у радіоактивне забруднення, при використанні ядерної зброї вносить ¹³¹І, який може створювати до 20% сумарної радіактивності. Період напіврозпаду ¹³¹І складає 8,04 доби. Це β- і γ-випромінювач. Максимальна енергія β-випромінювання 0,812 МеВ (82,4% з енергією 0,36 МеВ). Енергія γ-випромінювання 0,08–0,72 МеВ.

Радіонуклід ¹³¹І як і інші радіонукліди надходить в організм людини через органи травлення, дихання, шкіру, рани та опіки. Всмоктування йоду через шкіру складає всього 1 – 2 % від того, що може потрапити в організм інгаляційним шляхом. Резорбція йоду з шлунково-кишкового тракту визначається розчинністю сполук, які містять йод, і досягає 100% для розчинних.

Йод, який потрапив в організм, швидко всмоктується в кров і лімфу та переважно (до 100%) накопичується в щитоподібній залозі. Цей нуклід значно менше накопичується в нирках, печінці. м’язах, кістках (за ступенем зменшення).

Основний шлях виведення йоду із організму – це сеча. З калом виводиться той йод, який зв’язаний з нерозчинними речовинами. Йод виводиться також з материнським молоком. Біологічний період напіввиведення йоду складає 8,4 год для 70% присутнього в організмі, і 100 – 120 діб для того, який був затриманий в щитоподібній залозі.

Цезій (¹³⁷Cs). Відомо 21 радіонуклід цезію з масовими числами 123 – 132, 134 – 144. У живих організмах цезій є певним аналогом калію. Найбільше біологічне значення має ¹³⁷Cs, період напіврозпаду якого складає 2,55 хв. Цей радіонуклід – β-випромінювач з максимальною енергією до 1,17 МеВ (92% з енергія 0,51 МеВ). Утворений внаслідок розпаду цього радіонукліду ¹³⁷Ва є γ-випромінювачем (енергія 0,662 МеВ – 85,1%) з періодом напіврозпаду 30,17 років. Тому ¹³⁷Cs у рівновазі з ¹³⁷Ва є β- і γ-випромінювачем, період напіврозпаду якого становить 30,17 років.

Всмоктування ¹³⁷Cs в шлунково-кишковому тракті складає з розчинних сполук 100%. Через дихальні шляхи в організм людини може потрапити до 0,25% ¹³⁷Cs, який здатний всмоктуватися в кишковику. На першому етапі після надходження в організм ¹³⁷Cs практично рівномірно розподіляється по тканинах і органах, а потім переважно накопичується у м’язах (до 50%).

Цезій нуклід виводиться переважно з сечею. У перший місяць після надходження в організм і в подальшому приблизно 60% ¹³⁷Cs виводиться з сечею, 40% - з калом. Біологічний період напіввиведення ¹³⁷Cs, в залежності від віку людини, коливається в межах 70 – 140 діб.

Уран (²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U). Природний уран становить суміш трьох радіонуклідів: ²³⁵U, ²³⁵U і ²³⁸U. Радіонукліди урану є -випромінювачі. Представники родини радіоактивного розпаду урану при своєму перетворенні випромінюють - і β-частинки, γ-кванти. Тому процес розпаду радіонуклідів урану супроводжується -, β- і γ-випромінюванням.

Енергія -випромінювання ²³⁴U складає 4,84 Мев, ²³⁵U – 4,47 МеВ, ²³⁸U – 4,26 МеВ. Період напіврозпаду ²³⁴U – 2,48∙10⁵ років, ²³⁵U – 7,13∙10⁸ років, ²³⁸U – 4,49∙10⁹ років. Масовий вміст в природному урані в середньому складає: ²³⁴U – 0,005%, ²³⁵U – 0,71%, ²³⁸U – 99,29%.

Радіонукліди урану мають певні специфічні властивості. Так, ²³⁴U здатний захоплювати нейтрони з утворенням нових трансуранових елементів, а ²³⁴U при захопленні нейтронів розпадається з вивільненням великої кількості енергії, що використовується в ядерних реакторах та ядерній зброї.

Всмоктування урану в шлунково-кишковому тракті залежить від розчинності речовин, які його містять, але все ж таки вона дуже низька – становить лише 0,01 – 0,001% від тієї кількості, що може потрапити в організм. Через органи дихання може потрапити 2 – 10%. Розчинні сполуки урану всмоктуються в кров і розносяться по органах і тканинах.

На розподіл урану в організмі суттєво впливає його валентність. Шестивалентний уран накопичується в нирках до 20%, в кістках – від 10 до 30%, а у печінці накопичується зовсім в незначній кількості. В той же час, чотирьохвалентний уран, навпаки, у більшій мірі накопичується у печінці та селезінці – до 50%, кістках і нирках – від 10 до 20%. Це пов’язано, мабуть, з тим, що чотирьохвалентний уран легко приєднується до білків.

Незалежно від шляхів надходження в тканини організму радіонукліди урану переважно виводяться з сечею. Виведення з калом не перевищує 1 – 3%. Більша частина урану, яка потрапляє в організм через шлунково-кишковий тракт, виводиться в першу добу. Той же уран, який не вивівся за цей час із організму, накопичується, в основному, в кістковій тканині (57 – 62%).

За інгаляційного шляху надходження біологічний період напіввиведення приблизно для половини затриманого урану складає 50 діб, а для іншої – до 500 діб.

Плутоній (²³⁹Pu). Відомі радіонукліди плутонію з масовими числами 232 – 246. Радіонукліди ²⁴¹Pu, ²⁴³Pu і ²⁴⁵Pu є β-випромінювачі, а останні - -випромінювачі, розпад яких супроводжується β- і γ-випромінюванням. Найбільший практичний інтерес ²³⁹Pu, період напіврозпаду якого складає 2,44·10⁴ років. Промислове його отримання засноване на опроміненні ²³⁸U нейтронами. Цей радіонуклід поряд зі збагаченим ураном є ядерним паливом реакторів атомних станцій, а також використовується в ядерній зброї. За своїми характеристиками ²³⁹Pu близький до ²³⁵U. При захопленні ним нейтронів можлива ланцюгова реакція з виділенням великої кількості енергії.

Основними джерелами надходження радіонуклідів плутонію у довкілля є ядерні вибухи, відходи виробництва і переробки ядерного палива, а також викиди з ядерних реакторів, особливо при аваріях.

Радіонуклід ²³⁹Pu є -випромінювачем з енергією  часток близько 5 МеВ. Приблизно 4% розпаду ²³⁹Pu супроводжується рентгенівським випромінюванням (середня енергія – 17 КеВ), а 0,01% розпадів – γ-випромінюванням (енергія 37 КеВ).

В шлунково-кишковому тракті навіть розчинні сполуки ²³⁹Pu всмоктуються в незначній кількості і накопичуються переважно в кишковику. При надходженні ²³⁹Pu до легенів, значна частина його відкладається в них, але та кількість, яка потрапила в кров, депонується, в основному, в скелеті, печінці та нирках. Можливе надходження ²³⁹Pu через шкіру, особливо пошкоджену, безпосередньо в кров.

Виводиться ²³⁹Pu з сечею і калом, біологічний період напіввиведення становить 6,5·10⁴ діб.

Суттєвий інтерес становить радіонуклід ²⁴¹Pu, період напіврозпаду якого складає 14,4 роки і який за β-випромінюванням перетворюється в ²⁴¹Am.

Америцій (²⁴¹Am). Встановлені радіонукліди америцію з масовими числами 232, 234 – 247. Найбільше практичне значення має ²⁴¹Am. Це - і γ-випромінювач з енергією -частинок 5,48 МеВ, а γ-квантів – 0,06 МеВ. Період напіврозпаду ²⁴¹Am становить 470 років.

Джерелами надходження ²⁴¹Am у довкілля є використання та випробовування ядерної зброї, викиди АЕС (особливо при радіаційних аваріях) викиди підприємств, де виробляється і використовується даний радіонуклід.

Всмоктування ²⁴¹Am з шлунково-кишкового тракту не перевищують 0,03 – 0,05%, при інгаляційному надходженні резорбується до 60%. Через неушкоджені шкірні покриви в організм може потрапити біля 0,02% ²⁴¹Am.

Основними органами депонування ²⁴¹Am, який потрапив в кров, є скелет, печінка і нирки. Ступінь депонування в організм залежить від хімічної форми сполуки, яка містить ²⁴¹Am.

Виведення ²⁴¹Am з організму відбувається, в основному, з калом. З сечею виділяється приблизно у 20 – 100 разів менше ²⁴¹Am, ніж з калом. Ефективний період напіввиведення ²⁴¹Am з скелету складає до 4600 діб, з печінки – 360 – 1000 діб, тобто дуже повільно.