3 Радионуклиды

Радиоактивность — это самопроизвольный распад ядер атомов неустойчивых химических элементов, который сопровождается иони­зирующими излучениями с выделением внутренней энергии, в резуль­тате чего изменяется атомный заряд. Изменение атомного заряда при­водит к превращению одного химического элемента в другой.

Радиоактивный распад осуществляется со строго определенной скоростью и не может быть остановлен или ускорен. Скорость измеряет­ся периодом полураспада — временем, в течении которого распадается половина всех атомов. Распад радиоактивных элементов сопровождается потоками ионизирующих излучений, каждый из которых характеризуется своими физико-химическими свойствами: алъфа(α)-излучение отклоняет­ся в магнитном поле в сторону севера, представляет поток положительно заряженных частиц (атомов гелия), движущихся со скоростью около 20000 км/с. Бета(β)-излучение отклоняется в магнитном поле в сторону юга, представляет поток отрицательно заряженных частиц (электронов), движущихся со скоростью света. Гамма(γ)-излучение — коротковолновое излучение, близкое по свойствам к рентгеновскому. Распространяется со скоростью света, в магнитном поле не отклоняется. Характеризуется вы­сокой энергией — от нескольких тысяч до нескольких миллионов элек­трон-вольт. Ионизирующие излучения обладают способностью прохо­дить через различные вещества живой и неживой природы, возбуждая их атомы и молекулы. Такое возбуждение заканчивается вырыванием от­дельных электронов из электронных оболочек нейтрального атома, кото­рый превращается в положительно заряженный ион. Так происходит первичная ионизация объекта воздействия излучений. Освобожденные электроны, обладая определенной энергией, взаимодействуют со встреч­ными атомами и молекулами, создавая новые ионы, то есть происходит вторичная ионизация.

В системе СИ единицей измерения радиоактивности служит беккерель (Бк) — одно ядерное превращение в секунду. Другой внесис­темной единицей активности является кюри (Кu) — равная активности нуклеида, в котором происходит 3,7*10¹⁰ актов распада в одну секунду.

Суммарный выброс радиоактивных продуктов после аварии на Чернобыльской АЭС составил 3,5% от общего их количества, нако­пившегося в реакторе в процессе его эксплуатации. Выброс радионук­лидов из активном зоны реактора представлял собой растянутый во времени процесс, образуя широкий разброс радионуклидов.

По данным Комитета РФ по гидрометеорологии за 1991 год, общая площадь радиоактивного загрязнения (более 1 Кu /км² цезия-137) в России составляет 55 тыс.км², что больше, чем на Украине и в Белоруссии.

Сформировавшаяся зона радиоактивных выпадений захватила ряд областей Украины, Белоруссии, России. После двух-трех месяцев "йодного периода" ведущая роль в формировании радиационной обстановки ста­ла принадлежать долгоживущему цезию-13 7, повышенные плотности выпадения которого образовали на местности "цезиевые пятна" плот­ностью загрязнения почвы выше 5 Кu /км². Такую плотность загрязне­ния имеют 21 тыс.км² территории. Плотность загрязнения свыше 15 Ки/км² в Белоруссии имеют 7 тыс.км² территории, в России — 2 тыс.км², на Украине — 1 тыс.км².

Основную опасность для человека представляет не внешнее облу­чение, а попадание радионуклидов внутрь организма с зараженной пи­щей и в значительно меньшей степени с водой (до 5%) и с воздухом (до 1% всей радиоактивности). Прежде чем попасть в организм человека радионуклиды проходят по сложным путям.

Пути миграции стронция-90 и цезия-137 по пищевым цепочкам:

а) почва — сельскохозяйственные растения — продукты растениеводства — человек;

б) почва — растения (корма) — животные — мясопродукты — человек;

в) почва — растения (корма) — животные — молоко — человек.

В нынешней экологической ситуации наибольшее внимание уде­ляется радиоактивному цезию-137 и стронцию-90, а также потреблению их населением России с пищевыми продуктами. В дозе облу­чения населения они соответственно занимают 95% и около 5%. Незна­чительную долю в облучении составляют трансурановые элементы.

Анализ дозиметрических данных показывает, что доза внешнего облучения населения в основном пропорциональна плотности загрязне­ния почвы цезием-137; доза внутреннего облучения населения с вклю­ченными радионуклидами цезия значительно варьирует в зависимости от почвенно-климатических условий и в разных регионах различается в десятки и сотни раз при равной плотности загрязнения цезием-137 в зависимости от состава почвы.

Цезий-137 может стать источником облучения организма человека в широком диапазоне доз. Радиологические свойства цезия-137 и био­логические эффекты воздействия достаточно хорошо охарактеризова­ны. Период полураспада нуклида равняется 30 годам и выражается γ- и β-излучением. При поступлении в организм человека радиоактивного цезия в мышечной ткани накапливается его около 80%, период полу­выведения у взрослых 70-140 суток.

Стронций-90 в отличие от цезия-137 легко включается в костные структуры скелета. Период полураспада стронция-90 — 28 лет. Ско­рость выведения из организма радионуклида зависит от его состояния. В ионном состоянии он легче выводится из организма, чем в плохорастворимой, труднодоступной для усвоения форме.

Биологическое действие внешнего облучения изучается давно. В 1897 году были описаны случаи кожных поражений, вызванных рент­геновским облучением. Исследования биологического действия иони­зирующих излучений на подопытных животных позволили установить ряд зависимостей:

• выживание млекопитающих от дозы облучения;

• пороговая доза облучения для кожи человека в зависимости от "жесткости" рентгеновского излучения;

• устойчивость к облучению ряда живых организмов от амебы до обезьяны;

• частота возникновения лейкозов у людей вообще, а также среди выживших жертв ядерного взрыва в Хиросиме;

• обратимость последствий облучения в зависимости от многократного (дробного) и однократного (суммарного) облучения;

• влияние экранирования органов на вероятность выживания жи­вотных.

Механизм биологического действия ионизирующих излучений по со­временным представлениям заключается в передаче веществу энергии, которая расходуется на электрические взаимодействия с электронами ато­мов вещества, инициируя процесс их ионизации или возбуждения. Иониза­ция и возбуждение атомов и молекул биологической ткани являются пер­вичными процессами, которые определяют ход дальнейшего развития лу­чевых поражений. 'Зги процессы происходят как в основном веществе био­логической ткани, вызывая прямое действие ионизирующего излучения, так и в содержащейся в ткани воде (до 70% по массе).

Радиационно-химические реакции, происходящие в воде под воз­действием ионизирующего излучения (радиолиз воды), оказывают на биологическую ткань хотя и косвенное, но значительно более сильное действие, определяя основной эффект лучевого поражения.

В результате радиолиза воды образуются положительно и отрица­тельно заряженные ионы (Н⁺, ОН^- и др.) и свободные радикалы (Н , ОН, НО₂), не имеющие стабильного распределения электронов в элек­тронных оболочках атомов и обладающие очень высокой радиационной способностью. Свободные радикалы, взаимодействуя с растворенными биомолекулами, образуют вторичные радикальные продукты, срок жизни которых гораздо больше, чем первичных радикалов.

Вторичные радикалы белков, нуклеиновых кислот, липидов и продукты радиолиза воды, являясь химически активными центрами, взаимодействуют между собой, а также с водой, кислородом и биомо­лекулами, в результате чего образуются органические перекиси. По­следние вызывают активно протекающие процессы окисления, которые приводят к появлению множества не свойственных организму биомо­лекул. Все эти процессы многократно усиливают начальный эффект биологического воздействия ионизирующего излучения. Усиление ра­диационного эффекта обуславливает очень высокую уязвимость клетки к воздействию ничтожно малых доз ионизирующего излучения, а высо­кая радиочувствительность отдельных ее структур повышает риск по­вреждения и гибели клетки.

За химическими преобразованиями идет этап биохимических из­менений, связанных с высвобождением из субклеточных образований ферментов, под действием которых наступает распад биологически важных компонентов клетки (нуклеиновых кислот, белков и др.). Это приводит к нарушению белкового, солевого и водного обменов, изме­нению функционирования ферментных систем и других биохимических процессов в организме.

Субклеточные образования не одинаково чувствительны к дейст­вию радиации. Повышенную радиационную чувствительность имеет клеточное ядро, в котором заложен генетический материал клетки. Принципиапьно важным явилось открытие существенных различий в радиочувствительности клетки на разных фазах деления. Наибольшая отмечается в конце периода покоя и в начале процесса деления. Выяв­лено, что клетки, для которых характерна большая скорость протекания обменных процессов, более чувствительны к облучению, чем клетки, находящиеся в стационарной фазе.

Наряду с деструктивными в клетке происходят и восстановитель­ные процессы, но они не полностью компег чируют радиационные по­вреждения. В настоящее время достаточно детально изучены механиз­мы восстановления клеток и субклеточных образований после воздей­ствия ионизирующих излучений. По современным представлениям ферментативные системы клеток вырабатывают специальные фермен­ты для регулирования в обычных условиях интенсивности мутационно­го процесса. Они восстанавливают клеточные повреждения, образо­вавшиеся в результате воздействия радиации. Облученные клетки спо­собны восстанавливать свои функции, если потенциальные биохимиче­ские изменения в них реализовывались до начала действия восстанови­тельных процессов.

Повреждения клеток в результате происходящих в них биохими­ческих изменений могут наступить как в течение короткого периода времени, так и спустя многие годы, приводя в итоге к злокачественным новообразованиям в организме человека. Поэтому биологически эф­фекты воздействия ионизирующих излучений подразделяются на непо­средственные, к которым относится лучевая болезнь, и отдаленные, возникающие спустя много лет. Вероятностные отдаленные эффекты при хроническом облучении малыми дозами подразделяют на сомати­ческие (телесные) и генетические. К соматическим эффектам относятся вызванные облучением онкологические заболевания, к генетическим эффектам — врожденные уродства и другие генетические нарушения.

Поступление радиоактивных веществ из окружающей среды в продукты питания предотвратить невозможно. Возникновение отдель­ных генетических изменений в организме человека связывают с посто­янным повышением естественного фона радиации.