Тема 1 - загальна характеристика іонізуючого

ВИПРОМІНЮВАННЯ

Лекція №1 «Об’єкт і предмет дисципліни «Радіоекологія»

План лекції

1. Актуальність і завдання дисципліни.

2. Історія виникнення радіоекології як науки (коротка історична довідка).

3. Основні відомості про іонізуюче випромінювання (ІВ).

4. Поняття радіоактивності та закон радіоактивного розпаду.

5. Дозиметричні одиниці в радіоекології.

Питання для самостійної роботи

1. Поняття критичного органу і критичної групи населення [1, с.21, 29].

2. Допустимі дози і потужності доз [1, с.19; 3, с.57; 4, с. 58-59].

3. Дозиметричні величини, що характеризують умови опромінення людини [МВ для СРС з «Радіаційної екології» (електронний варіант)].

Список літератури:

[1, с. 7-20; 2, с. 46-47; 3, с. 24-25; 4, с. 59-60].

Поняття критичного органа і критичної групи населення

Поглинена доза може розподілятися в біологічних об’єктах рівномірно і нерівномірно. Відомо, що кожний орган і кожна тканина мають різне значення в життєзабезпеченні всього організму. Критичний орган – це орган або тканина, частина тіла або все тіло, опромінення яких завдає найбільшої шкоди організму. Аналогічно критичні (життєво важливі) елементи можуть бути виділені й у кожній окремій клітині, а не тільки в цілому організму.

Практично існують три способи виділення критичних органів:

1. За найбільшою радіочутливістю у певній системі організму.

2. За найбільшою поглиненою дозою випромінювання.

3. За вибірковим накопиченням підвищених концентрацій певного радіонукліда і, таким чином, отримання найвищих ефективних еквівалентних доз випромінювання (для іншого радіонукліда критичним може бути зовсім інший орган).

Кожний із цих способів придатний для різних ситуацій. Перший спосіб зручний у разі загального рівномірного зовнішнього опромінення, другий – при нерівномірному опроміненні, третій – при поглинанні радіонуклідів у різних тканинах і органах. Відомо, що такий радіонуклід, як ¹³¹I, вибірково накопичується в щитоподібній залозі тварин і людини, і тому дозу оцінюють із розрахунку на цей орган. ⁹⁰Sr зрештою зосереджується в поверхневих шарах кісток, і дозу потрібно перераховувати на цю тканину тощо.

У випадках опромінення великих популяцій людей, особливо при аваріях, доцільно виділяти критичні групи населення. Критична група – це сукупність осіб серед певного контингенту людей, які за умовами проживання, віком або станом здоров’я зазнають найбільшого ризику опромінення. Це насамперед група дітей у віці до року. Іншою критичною групою може бути частина населення чи персоналу, що дістала найзначнішого опромінення в ранній період аварії. Якщо основний вплив йонізуючого випромінювання на населення полягає у дії радіонуклідів йоду, то критичною можна вважати групу дітей і дорослих, яким йодну профілактику не проводили.

Допустимі дози і потужності доз

Загальноприйнятою вважається цифра 0,05 рад/рік як допустима для потужності дози нейтронного опромінення у межах природного радіаційного фону.

Обґрунтованим граничним нормативом, що гарантує безпеку для життєдіяльності людини та для генетичних наслідків дії радіації називають потужність еквівалентної дози 5 бер/рік.

Відносно допустимих поглинених доз слід орієнтуватись на такі цифри (для різних органів людини), що до недавнього часу вважалися досить достовірними.

1. Трансформовані клітини виникають при одержанні поглиненої дози 0,1-0,25 Гр – це вважалося біологічним порогом дії іонізуючої радіації (до 1986 року).

2. Якщо доза не перевищує 0,1 Гр – ще не виявляється суттєвий вплив опромінення на виникнення перших ракових клітин.

3. Після доз від 0,5 до 1 Гр зростає кількість ракових пухлин.

4. Після доз від 1 до 4 Гр виникають захворювання на лейкози. Починаючи з дози 1 Гр пригнічується імунна система.

5. Граничною дозо для захворювання на рак легенів є доза 3,6 Гр.

6. Після набору поглиненої дози від 7 до 10 Гр починаються пухлини кісток.

7. Доза 10 Гр вбиває всіх ссавців, зокрема людину.

В останній час з’являється все більше даних, підтверджуючих справедливість висновків щодо існування явища радіобіологічного парадоксу. Радіобіологічний парадокс полягає в різко визначеній невідповідності аж надто малих доз опромінення надзвичайно вираженим негативним наслідкам його, особливо генетичним.

Сьогодні вченим вже достатньо ясно, що ніхто не може назвати гарантовано безпечну для людини і її нащадків дозу опромінення. Тому до вище названих цифр порогової дії іонізуючої радіації слід поставитися досить критично.

Ми живемо в час, коли став очевидним безпороговий характер дії іонізуючої радіації.

Дозиметричні величини, що характеризують умови опромінення людини

Дозиметричні величини, що характеризують умови опромінення людини, нормують дозові навантаження на людей для запобігання негативним наслідкам дії радіації на їхнє здоров’я. Із цих величин найчастіше використовуються:

• очікувана еквівалентна доза – результат сумації еквівалентних доз опромінення, які людина отримає за певний період її життя. Ця величина є інтегралом по часу від потужності еквівалентної дози. Якщо не вказано інтервал часу, на якому обчислюється інтеграл, то мають на увазі 50 років для дорослих і 70 років для дітей;

- очікувана ефективна доза – результат інтегрування потужності ефективної дози по часу з тими самими часовими інтервалами, що й у випадку очікуваної еквівалентної дози.

Одиницею цих доз є зіверт.

Зазначені величини характеризують дози, які отримує або може отримати окрема людина протягом життя.

Для кількісної оцінки опромінення певної популяції людей, усього населення або окремих його груп застосовують спеціальні величини – колективну еквівалентну та колективну ефективну дози. Вираз для обчислення колективної дози D_c з урахуванням її ефективності та еквівалентності наступний:

D_c = D_i N_л (D_i) d D_i ,

де D_i - індивідуальна еквівалентна й ефективна доза; N_л (D_i) d D_i - число людей, опромінених у дозі від D_i до D_i + d D_i.

Сумарна колективна доза для населення становить арифметичну суму колективних доз, які отримали окремі групи, що зазнали опромінення.

Одиниця колективної дози: [D_c] = 10⁴ люд.-Зв.

Колективна доза може нагромаджуватися протягом певного часу, й у цьому разі розглядається потужність колективної дози – значення колективної дози, яка формується за одиницю часу.

Колективні дози також можуть бути вже нагромадженими або очікуваними за певний проміжок часу. Їх визначають інтегруванням потужності очікуваної колективної дози по часу. Наприклад, очікувану колективну еквівалентну дозу D_c.ej обчислюють так:

D_{c.ej =} ∫ Р_c.ej (t) dt,

де Р_c.ej - потужність колективної еквівалентної дози.

Колективна доза, зумовлена наявністю радіоактивних речовин у середовищі, також може нагромаджуватися протягом дуже тривалого часу.

Розглянуті величини можна використовувати для нормування дозових навантажень не тільки на людину, а й на будь-яку біологічну систему.

Питання для самоперевірки

1. Що називають критичним органом? Способи виділення критичних органів.

2. Поняття ефективної еквівалентної дози.

3. У чому полягає явище радіобіологічного парадоксу?

4. Поняття колективної еквівалентної дози.

Лекція №2 «Радіаційний фон Землі»

План лекції

1. Природні джерела ІВ.

2. Штучні джерела ІВ.

3. Особливості впливу ІВ на живі організми.

4. Гостра та хронічна променеві хвороби

5. Зовнішнє і внутрішнє опромінення.

Питання для самостійної роботи

1. Вплив природної радіоактивності на еволюцію видів [1, с.31; 3, с. 29-31; 4, с.432-437].

2. Радіаційна небезпека радону [1, с. 37-38; 2, с. 229-244; 3, с.32-35; 4, с. 74-75].

Список літератури:

[МВ для СРС з «Радіаційної екології» (електронний варіант); 1, с. 37-38; 3, с. 32-33; 4, с. 432-433].

Вплив природної радіоактивності на еволюцію видів

Сукупність усіх джерел ІВ складає радіаційний фон Землі. Тобто, можна сказати, що радіаційний фон сучасного довкілля обумовлений природними джерелами ІВ та антропогенним радіаційним забрудненням навколишнього середовища.

З появи життя на планеті Землі (приблизно 3,8 млрд. років тому) потужність поглинутих доз іонізуючого й ультрафіолетового випромінювань були значно більшими, ніж сьогодні . Це пояснюється тим, що були набагато вищими активність природних радіоактивних елементів, а також інтенсивність ультрафіолетових променів через відсутність атмосфери, яка могла б екранувати поверхню Землі від цих променів. Процеси синтезу низькомолекулярних органічних сполук із газів первинної атмосфери та наступна полімеризація утворених мономерів з утворенням білкових молекул та нуклеїнових кислот (що вважається основою доклітинної еволюції життя на Землі) відбувалися за участю іонізуючого й ультрафіолетового випромінювань. Експериментально доведено можливість появи органічних сполук – амінокислот, цукрі, азотистих основ – за опромінення або в електричних розрядах у суміші метану, амоніаку й парів води. Полімеризація мономерів у високомолекулярні сполуки також індукується опроміненням іонізуючою радіацією. Тож можлива участь ІВ в процесах започаткування органічних речовин у земній кори не викликає заперечень.

На етапі виникнення клітинних форм життя – протобіонтів – рівень опромінення ще залишався настільки високим, що забезпечувалася поява достатньо широкої різноманітності так званих ліофільних макромолекул, з яких добиралися форми, найпридатніші для виконання біологічних функцій. Еволюція протобіонтів завершилася появою простих організмів, які мали генетичний апарат і систему синтезу білка. Відтоді ІВ стало відігравати роль мутагенного фактора, який прискорює темпи еволюції видів.

Проблема розуміння дії природного фону ІВ на живі організми і дотепер лишається однією з центральних проблем радіоекології.

Існують різні точки зору на цю дію природного фону.

Згідно одній концепції опромінювання від природного радіаційного фону ІВ необхідне для нормального перебігу біологічних процесів в організмах. Є наукові дані, хоча й нечисленні, щодо того, що зниження природного радіоактивного фону пригнічує ріст і розвиток живих організмів. Крім того, існують дані, що одержані на основі аналізу численних палеонтологічних матеріалів, які обґрунтовують певну гіпотезу. Згідно цієї гіпотези великі еволюційні перетворення в біосферах минулого були одностайно пов’язані із змінюванням радіаційного фону Землі. Вказується, що ця концепція покликана доповнити вчення Чарльза Дарвіна щодо еволюції життя на Землі.

Таким чином, за природним радіоактивним фоном визнається виключно потужна мутагенна роль а також важливе значення у природному відборі життєздатних форм живих організмів.

Друга точка зору полягає в тому, що природний радіаційний фон спричиняє негативні зрушення в популяціях живих організмів (в першу чергу, який має наслідком: радіаційний канцерогенез, скорочення тривалості життя під впливом опромінення й таке інше).

Ця точка зору, що її поділяють в наш час багато дослідників, розглядається як консервативна і покладена сьогодні в основу нормування радіаційного впливу на людину і враховується практично в усіх міжнародних і національних нормативах.

Прийняття гіпотези безпорогової лінійної залежності при дії іонізуючих випромінювань на людину і біологічні об’єкти означає, що природний радіоактивний фон вважається відповідальним за виникнення певної кількості негативних змін в популяції живих організмів.

Цю величину природного радіоактивного фону вважають “нульовою точкою”, що з неї починається відлік додаткової кількості шкідливих змін в популяції живих організмів.

Радіаційна небезпека радону

Радон – це радіоактивний газ без кольору і запаху, важчий за повітря, продукт радіоактивного розпаду не тільки радію, а урану і торію. Радон є хімічно інертним, але його іонізовані дочірні продукти легко утворюють аерозольні часточки, тому що можуть сорбуватися пилом і бути ядрами конденсації водяної пари. Для здоров’я найнебезпечніші часточки діаметром до 0,7 мкм, що здатні проникати у верхні дихальні шляхи, і, осідаючи в них, створювати локальні джерела альфа-випромінювання. Потрапивши в організм, радон уражає залози внутрішньої секреції, тканини легенів, гіпофіз, кору надниркових залоз. Це викликає у третини населення задишку, серцебиття, мігрень, тривожний стан, безсоння. Іноді як наслідок перебування в зоні радонового випромінювання, у людини розвиваються злоякісні пухлини в легенях, печінці, селезінці. Джерелами радонового опромінення людини є розпад радію в ґрунті, підґрунтових водах і океані. Радон проникає в будинки з ґрунту через щілини у фундаменті, з будівельних матеріалів, питної води, газо- і нафтопродуктів (табл. 2).

Таблиця 2 – Джерела радонового випромінювання в будинках*

Джерело	Інтенсивність виділення радону, (Бк м3) год	Об’ємна активність радону у повітрі, Бк / м3
Грунт	0,5-200	0,5-500
Будматеріали: бетон, цегла	1-50	0,7-100
деревина	0,05-1	0,03-2
Зовнішнє повітря, що надходить при вентиляції	0,30-15	1-10
Водопровідна вода, природний газ	0,01-10	0,01-10

*Примітка: розрахунки ґрунтуються на припущенні, що повітря в будинку вентилюється зі швидкістю 0,7 обєму/год.

У житлові будинки близько 20% радону надходить із водопровідної води, особливо артезіанської. Проте основним джерелом радону в будинках є грунт. Тому прийнято вимірювати об’ємну активність радону в цокольних і перших поверхах будинків. Допустимій рівень радонового випромінювання складає не більше 100 Бк/м³. Слід зауважити, що радон і паління справляють не адитивну, а мультиплікативну дію, збільшуючи ризик радонового опромінення в середньому в 10 разів.

Основні контрзаходи щодо радонового опромінювання наступні:

1. Вентиляція приміщень, навіть просте провітрювання.

2. Зашпаровування щілин у фундаменті будинку і підлозі.

3. Використання додаткових покриттів для підлоги і стін, що перешкоджають дифузії радону (олійні й емульсійні фарби, шпалери на полімерній основі тощо).

4. Застосування інженерних методів видалення радону із систем водопостачання.

5. Депресоризація – відкачування повітря із шару грунту, розташованого безпосередньо під фундаментом.

6. Використання приладів-радоноуловлювачів із спеціальними фільтрами (на основі активованого вугілля, іонообмінних смол).

Питання для самоперевірки

1. Характеристика радону. Що є джерелом радону у приміщеннях?

2. Що називають депресоризацією?

3. Які сучасні контрзаходи щодо родонового опромінення існують?

4. Які концепції впливу радіаційного фону на живі організми Вам відомі?

Лекція №3 «Радіоактивне забруднення навколишнього середовища»

План лекції

1. Шляхи надходження радіоактивних речовин в організм.

2. Радіоактивне забруднення ґрунту

3. Радіоактивне забруднення рослин.

4. Радіоактивність водного середовища і його мешканців.

Питання для самостійної роботи

1. Накопичуванняі розподіл РН в організмі тварин [1, с. 94; 3, с. 79-81].

2. Заходи щодо рекреації сільськогосподарських угідь, забруднених радіонуклідами [3, с. 81-82].

Список літератури:

[МВ для СРС з «Радіоекології» (електронний варіант); 1, с. 63-81].

Накопичування і розподіл РН в організмі тварин

Продукти тваринництва, поряд із рослинами, є важливою ланкою в ланцюгу потрапляння РН в організм людини. Основним шляхом надходження РН в організм тварин є оральний. В шлунково-кишковий тракт РН потрапляють разом із кормами. Під час дихання РН проникають в легені разом із повітрям. І в меншому ступені РН потрапляють до тварин із водою. Проникнення РН через неушкоджені ділянки шкіри є самим незначним шляхом їх потрапляння в тваринний організм.

Головним засобом боротьби з накопиченням радіоізотопів в продукції тваринництва і птахівництва є підбір кормових раціонів із мінімальним вмістом РН.

Встановлені наступні фактори, які впливають на перехід РН з кормів в організм тварин і птахів:

• вік;

• умови їх годівлі та утримання;

• фізіологічний стан їх організму;

• фізико-хімічні особливості сполук, що містять РН.

Із врахуванням високого рівня обігу речовин і інтенсивного росту будь-якого молодого організму, перехід РН з раціону в готову продукцію, яку одержують від молодих тварин та птахів, є максимальним.

На відмінність від рослин, що не виявляють вибіркового накопичення кальцію або стронцію, організми тварин та птахів розрізняють ці елементи по хімічний природі і вибірково накопичують кальцій.

В результаті виявляється, що при розрахунку на одиницю кальцію, що надходить, м'ясо є в 2,5 разів більш чистим, ніж кормовий раціон тварини або птаха, а молоко – в 10 разів чистіше. Але існує велика різниця щодо вмісту кальцію у різних органах і тканинах тварин і птахів. Наприклад, середній вміст кальцію для великої рогатої худоби складає: в кістяку - 150 г/кг, в молоці – 1 г/кг, у тканинах м’язів – 0,1 г/кг. Тому найменше забрудненим стронцієм є м’ясо, а молоко ж – в 10 разів брудніше. Найбільше забрудненим стронцієм є кістяк.

Перехід з раціону тварин та птахів стронцію-90, йоду-131, цезую-137 до м’яса, яєць та субпродуктів в значній мірі залежить від надходження до раціону стабільних ізотопів цих елементів або їх хімічних аналогів.

В теперішній час як дешевий та доступний засіб захисту від проникнення радіоізотопів стронцію в продукцію тваринництва рекомендують використовувати лужноземельні елементи. Так, наприклад, додаючи до раціону телят та дорослих корів мінеральне підгодовування СаСО₃ досягають надмірного надходження кальцію. За рахунок цього зменшують відкладення РН стронцію-90 в організмі теляти на 30%, а в організмі корови – на 43,3;. Введення в раціон корів щоденно від 5 мг до 2 г йодистого калію зменшує накопичення РН йоду-131 у щитовидній залозі корови на 90%, а в коров’ячому молоці – на 50%.

Цікаві дані були отримані при дослідженні переходу стронцію-90 з раціону до молока у зв’язку із лактацією тварин. Максимальних значень досягає виведення стронцію-90 в молозивний період; на протязі всього періоду лактації воно поступово зменшується, а потім наново досягає максимальних величин в останній місяць лактації.

Крім того, встановлено, що молочна залоза найбільш інтенсивно виділяє стронцій із першими порціями молока. Концентрація РН в цих перших порціях молока в середньому на 11,2% вище, ніж в останніх порціях.

Таким чином, можна зробити висновок, що виробництву м’яса на забруднених радіацією територіях слід віддавати перевагу порівняно із виробництвом молока.

Заходи щодо рекреації сільськогосподарських угідь, забруднених радіонуклідами

З метою рекреації сільськогосподарських угідь першочерговим заходом є застосування агромеліорації. Найбільш ефективно впливає первісна дезактивація грунту з подальшим похованням поверхневого забрудненого шару в підорні горизонти. Це називають методом глибокого орання.

Були розроблені спеціальні знаряддя, за допомогою яких таким чином обробляють грунт: переобладнаний плуг та плуг-перемішувач ґрунтових горизонтів.

Переобладнаний плуг забезпечує поховання забрудненого шару на глибину від 30 до 40 см,тим самим концентрація стронцію-90 в орному шарі знижується на 80%.

Плуг-перемішувач горизонтів переміщує забруднений шар на глибину від 30 до 70 см, що знижує концентрацію стронцію-90 в 10-15 разів. Завдяки цьому рівень накопичення стронцію-90 вдається суттєво знизити: в зерні пшениці – на 75%, в картоплі – на 90% тощо.

Також добре себе зарекомендувала безпосередня дезактивація сільськогосподарських угідь із видаленням поверхневого забрудненого шару грунтозмішуючими бульдозерами і грейдерами і наступним його похованням в спеціальновідведених могильниках. До цього заходу вдаються при невеликих обсягах забруднених територій.

Дезактиваційний ефект глибокого орання можна посилити систематично вносячи в орний шар мінеральні добрива, які локалізують кореневі системи в незабрудненому шарі. Це знижувало вміст стронцію-90 в урожаї в 10 разів у порівнянні із звичайним оранням.

Існуючий набір засобів і заходів зниження надходження РН у рослини не завжди економічно доцільний в конкретних ситуаціях і ця проблема на сьогодні залишається відкритою.

Питання для самоперевірки

1. Охарактеризуйте шляхи надходження РН в організм тварин [ 1, с. 63-64; 2, с. 176].

2. Назвіть фактори, що впливають на перехід РН з кормів у продукти тваринництва [1, с. 75-77; 3, с. 80].

3. Де більше міститься РН: у молоці, м’ясі чи кістках тварин? [3, с. 80].

4. Якому тваринництву ( м’ясному чи молочному) надається перевага на забруднених радіацією територіях? [3, с. 81].

5. Які заходи і засоби зниження потрапляння стронцію-90 із ґрунту в рослини? [3, с. 78].