Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационная экология. Учебное пособие
.pdf
61
В организме клеточные реакции эффективной адаптивной реконструкции
обмена фиксируются Т-лимфоцитарным надзором с последующей передачей
(через Т-лимфоцитарный кровоток) в нервную, эндокринную системы и с последующей эфферентной коррекцией обмена во всех тканях. При постоянном
воздействии процесс ведет к формированию фенотипа, адекватного составу
среды.
Процесс, как показывают наблюдения за заболеваемостью жителей радиоактивных территорий, идет 10‒15 лет и не отличается от аналогичных типовых реакций на смену состава среды.
Два-три года от начала воздействий длится период конфликта — экс-
тренной поисковой перестройки клеточного метаболизма. Он сопровождается
накоплениями радикалов, эндогенных токсинов, повышенной частотой клеточных генетических поломок (риск канцерогенеза), высокой иммунной напряженностью и всплеском заболеваемости населения. Через 2‒3 года период сменяется характерной паузой реакций с последующим периодом напряженной
устойчивости, где наблюдается адекватная ферментная, иммунная и эндокринная перестройка обмена.
Характер и исход течения адаптационного популяционного стресса зависит от фоновой напряженности и мощности резервов адаптационных систем
организма. В случае массивной фоновой загруженности среды, особенно такими веществами, маскирующимися под микроэлементы и физиологичные элементы, как тяжелые металлы и пестициды, в популяциях формируется компен-
сированный (либо декомпенсированный) тип адаптации.
Снижение общей частоты заболеваний (которые можно рассматривать
как адаптационные поломки) сопровождается повышенной, по сравнению с
адаптационной, частотой поломок одной из систем. В случае компенсированно-
го типа адаптации это повышение стабилизируется, в случае декомпенсированной ― прогрессирует. Такие типы иммунной напряженности и иммунодефицита прослеживаются на радиоактивных территориях от аварии на Чернобыльской АЭС при массивной фоновой загрязненности среды «маскированными»
токсическими метаболитами (юго-запад Брянской области, Могилевская область и др.).
Полная адаптация прослеживается на радиоактивных, но экологически
чистых территориях. Нередко она протекает по стимулирующему типу и со-
провождается активацией обмена, роста, физического развития детей, снижением заболеваемости населения в целом по мере роста малых техногенных радиационных нагрузок. Заболеваемость детского населения, вызванная дефицитом
62
иммунных функций, с ростом радиоактивности среды до 17 Ки/км2 снижается
до 473,3 на 1 000 детей (что в 2 раза ниже аналогичных реакций по России);
нейроэндокринные «поломки» — до 19,9 (ниже в 6 раз); общая частота заболеваний — до 927,2 (ниже в 1,3 раза) [4].
В целом прогнозы дальнейшего развития популяционных реакций на изменение радиоактивности среды могут быть построены на обобщении материалов о состоянии здоровья населения, проживающего в пяти-шести поколениях
и более на территориях повышенного радиационного фона.
Обобщения этого ряда показывают, что смертность населения, проживающего в условиях повышенной естественной радиоактивности среды, не только
не отличается от аналогичных показателей в районе с нормальным уровнем радиации, но и достоверно ниже, в том числе по такому радиогенному показателю, как смертность от рака.
Такие совпадения макропопуляционных реакций позволяют
прогнозировать благополучное течение адаптации в ответ на малые изменения
радиоактивности среды, особенно в случае отсутствия в составе среды
агрессивных токсикохимических воздействий.
1.8. Радиоэкология сообществ
Экосистемные реакции на радиационную деформацию среды
Радиоактивные вещества, попавшие в биосферу в результате атомных взрывов, сброса промышленных отходов, аварий и т.п., включаются в биологический
круговорот веществ. Если их активность и период полураспада значительны,
то при определенном уровне накопления они вызовут изменения в биоценозе.
В условиях повышенного фона ионизирующей радиации биоценозы претерпевают сильнейшие изменения, касающиеся их структуры и функциональных связей. Так как радионуклиды распределяются не однородно по компонентам ландшафта и избирательно накапливаются отдельными видами, то действие
радиации на биоценоз приведет к разной реакции отдельных видов [4].
Видовые различия в аккумуляции радионуклидов имеют большое значение. Так, насекомые монофаги (питающиеся только одним видом растений)
концентрируют радиоактивные стронций и цезий в количествах, пропорциональных их содержанию в растениях, которыми они питаются.
Выпадение отдельных видов и перестройка структуры биоценозов приводят к изменению биотических связей, в силу чего эти изменения затрагивают и
радиоустойчивые (радиорезистентные) формы.
63
Уменьшение видового разнообразия животных отмечалось при довольно
низких (2‒5 рад/сут) уровнях радиационных воздействий. Некоторые устойчивые
лесные деревья выживали при довольно высоких (10‒40 рад/сут) дозах облучения.
При этом растительность была угнетена в росте и очень восприимчива к насекомым и болезням. Так, на второй год после облучения дозой (0,1 Гр/сут) сосноводубового леса произошла 200-кратная вспышка численности дубовой тли.
Миграция по пищевым цепям. Радиоактивные продукты деления в био-
ценозах мигрируют по пищевым цепям. Пищевая цепь редко состоит более
чем из 5 звеньев: растения → животные-фитофаги → хищники → редуценты. В
цепь включаются и паразиты.
В первом звене пищевых цепей, при переходе стронция-90 от растений
к растительноядным животным, в сухопутных биоценозах наблюдается увеличение его концентрации. В противоположность этому количество цезия-137
здесь уменьшается.
В следующем звене пищевой цепи при миграции стронция из тела растительноядных животных к хищным млекопитающим увеличиваются коэффициенты
концентрации как для стронция-90, так и для цезия-137. Это показывает, что идет
концентрирование радионуклидов по мере увеличения звеньев пищевой цепи [4].
На накопление радиоизотопов в пищевых цепях влияют многие причины,
в том числе особенности питания животных и особенности накопления ради-
онуклидов в организме. Например, концентрация стронция-90 в костях хищни-
ков намного ниже, чем у грызунов, которыми они питаются, так как скелет своих жертв они не переваривают ― хищные млекопитающие аккумулируют
стролций-90 только из мягких тканей съедаемых ими животных. Напротив, цезий-137 концентрируется в большом количестве в мягких тканях, из которых
легко переходит в тело хищных млекопитающих, поэтому концентрация
цезия-137 при переходе от жертвы к крупным хищным животным увеличивается. На Аляске в теле россомах и волков, которые питаются оленями карибу, содержание цезия в 2‒3 раза выше, чем в мясе оленей. Коэффициент концентрации для этих хищников равен 2,5 и 4,5.
Интересно, что у хищных рыб благодаря особенностям пищеварения
проглоченная жертва переваривается целиком вместе со скелетом и чешуей.
Поэтому в теле хищных рыб заметно увеличивается концентрация как
стронция-90, так и цезия-137.
Размер пораженного участка не имеет значения для расчета эффекта за-
грязнения на растения, но для подвижных крупных животных это обстоятельство очень существенно (вспомните размеры кормовых участков).
64
В пределах одного наземного биоценоза могут оказаться виды животных,
сильно различающиеся по степени контакта с загрязненными участками, а следовательно, и с ионизирующим излучением. По этому признаку различают животных, случайно контактирующих с загрязнением, временно или постоянно.
Большую опасность в этом отношении представляют многие виды водоплавающих охотничьих промысловых птиц, например, уток, случайно или вре-
менно контактирующих с радиацией. На пролете или в период гнездования они
могут остановиться на ручьях или озерах, в которые сбрасывают радиоактивные отходы. В этом случае в пищу человека может попасть птица, которая
накопила большое количество радионуклидов не только за сотни, но даже и за
тысячи километров от места ее добычи охотником.
Радиационное поражение наземного биоценоза приводит к ослаблению
входящих в него видов. Изменения в пораженном радиацией биоценозе испыты-
вает не только животное население, но и растительность.
Изменение характера биологического круговорота веществ и потока
энергии ставит выжившие организмы перед необходимостью существовать
в измененной обстановке.
Миграция радионуклидов в основных экосистемах
Многие радионуклиды, например, цезий-137 и стронций-90, постепенно
рассеиваются в биоценозе, в почве поглощаются растительностью и животными, перемещаются вниз по почвенному профилю в направлении движения воды, мигрируют и в горизонтальном направлении.
Море. Закономерности миграции и накопления радионуклидов на суше,
в морях и пресных водах во многом отличаются. Изучение радиоэкологии мор-
ских организмов особенно актуально в связи с большой площадью акватории
Мирового океана (более чем в 2 раза превышающей площадь суши) и поступлением сюда огромных количеств радионуклидов, а также ввиду добычи в морях массы продуктов, поступающих непосредственно в пищу человека. К ноябрю 1958 г. по некоторым данным в моря и океаны попало 5 ∙ 106 Ки стронция90 против 1,8 ∙ 106 Ки на суше.
Особенностью поведения радиоизотопов в море является ограниченное
действие внешнего излучения на растения и животных, быстрое рассеивание
и разведение поступающих радионуклидов в огромных массах воды. При этом
течения и массовые миграции организмов способны перемещать большие ко-
личества радионуклидов на тысячи километров.
65
Высокие концентрации радионуклидов в морской воде таят угрозу подрыва воспроизводства рыбных запасов и изменения структуры биоценозов открытого моря. Это касается, в частности, гипонейстона — сообщества морских
организмов в поверхностном слое воды толщиной 0‒5 см, в котором сосредоточена значительная часть планктонных организмов и икры рыб. При высоких
уровнях загрязнения можно предвидеть вымирание отдельных видов, а также
вспышку развития бактерий, микрофитов и радиоустойчивых животных, служащих пищей рыбам и другим организмам.
Для морских организмов наибольшую опасность представляют радиоизотопы церия и иттрия, а также стронций-90 ввиду высоких уровней накопления
и, следовательно, большой мощности облучения. При этом с пищей поступает
неизмеримо меньшее количество изотопов, чем непосредственно из воды.
Очень важны также радиоизотопы цинка, железа, кобальта, марганца и других
элементов.
В морях к концентраторам и биоиндикаторам цезия-137 относятся бурые
и красные водоросли, мягкие ткани рыб и беспозвоночных; стронция-90 —
радиолярии, кости рыб и морских зверей, бурые водоросли; радиоизотопов
иттрия — икра рыб, водоросли, ракообразные; церия-144 — водоросли, актинии.
В пресных водоемах большая часть выпавших радиоактивных осадков
сорбируется донными отложениями и водной растительностью.
Меньшая часть остается более или менее однородно растворенной в воде.
Такое распределение радиоактивности приводит к тому, что рыбы, питающиеся
донными формами беспозвоночных и растительностью, концентрируют большее количество радионуклидов, чем употребляющие в пищу планктонные организмы.
Зарегистрировано несколько случаев неблагоприятного воздействия радиоактивного загрязнения на население пресноводных водоемов.
В США донная фауна р. Анимас, ниже завода по переработке урановой
руды, оказалась заметно обеднена на расстоянии 50‒65 км из-за действия радия-226 и других радиотоксичных продуктов. Наиболее устойчивыми оказались водоросли, а из животных — личинки мух.
В Канаде очень интересные наблюдения проведены на небольшом
оз. Перч, в которое впадает ручей, загрязняемый радионуклидами из жидких
отходов атомного производства. Озеро интересно тем, что содержит богатый
растительный и животный мир. За 5 лет в озеро поступило 4 000 мКи стронция-90, но 3 000 из них было вынесено вытекающим ручьем. Из оставшихся
1 000 мКи активности 900 было аккумулировано в слое донных отложений
66
толщиной 2,5 см, а довольно богатая водная растительность накопила всего
6 мКи. Относительно много стронция-90 накопили рыбы. Так, в костях желтого
окуня концентрация этого нуклида была в 3 000 раз выше, чем в воде. Коэффициенты накопления повышались по мере перемещения по пищевой цепи.
Лес. В лесных биоценозах количество радионуклидов неодинаково в раз-
личных ярусах: в лесной подстилке, травянистом покрове, кустарниках, стволах,
ветвях и листьях деревьев. Поэтому насекомые, использующие в пищу растения различных ярусов лесного биоценоза, концентрируют разное количество
радионуклидов, и при загрязнении местности радиоактивными веществами отдельные экологические группы беспозвоночных реагируют неодинаково. Перераспределению и ускорению рассеивания радиоактивных веществ способствует
накопление их в растениях, отложение в опаде, а также деятельность животных: загрязненные звери, птицы и насекомые могут мигрировать на значи-
тельные расстояния, а землерои (дождевые черви, кроты, суслики и др.) затаскивают загрязненную почву и растительные остатки с поверхности в глубокие
горизонты. Почвенные животные, вынося на поверхность чистую почву из глубоких слоев, способствуют захоронению радиоактивных изотопов.
Роль радиационных воздействий в экосистемах
Накоплено незначительное количество материала по «радиационным
стрессам» экосистем, причем отсутствуют и теоретических разработки такого
ряда. Единичные работы указывают на сходство экосистемных изменений с популяционными в том, что они зависят от техногенного фона, от наличия токсикохимических воздействий.
При этом, несмотря на доказанную радиоустойчивость природных сообществ,
в биогеоценозах имеются критические звенья с большей выраженностью радиогенных реакций как в сторону стимула (микрофлоры, например), так и в сторону подав-
ления функций с последующей труднопредсказуемой цепью последствий.
Стимулирующая роль. Это подтверждается, в частности, чрезвычайно
большим видовым разнообразием растений в условиях аномальных экологически чистых радиационных воздействий (оно в 15‒20 раз выше фона). Эти различия позволили выдвинуть положение о ключевой роли повышенного радиационного фона в происхождении новых видов живого.
Все сельскохозяйственные злаковые мира произошли из восьми горных
мест с высоким уровнем космического излучения. Американский биолог, лауре-
ат Нобелевской премии Дж. Миллер пришел к выводу о ведущей роли в формировании этих эффектов нейтронного потока частиц.
67
Положения о том, что положительный эффект возможен исключительно
от естественного радиационного фона, также оказались несостоятельными. Гибель растительности, грызунов в зонах атомного взрыва в Хиросиме, чернобыльской и кыштымской аварий через полтора-два года сменяется бурным,
превышающим дорадиационный период ростом и разнообразием живого.
Искусственное снижение радиационного фона в эксперименте ведет
к противоположным реакциям — снижению скорости деления клеток, роста,
размножения, что еще раз указывает на использование биотой «отобранных»
в процессе эволюции радиационных воздействий в качестве фактора стационарности экосистем, колебания которого, тем не менее, требуют реорганизации
экосистемных взаимодействий («ключ к замку») в биогеоценозах.
Подавляющая роль. Помимо этой серии результатов, имеется ряд не
менее достоверных наблюдений, фиксирующих противоположные радиогенные
реакции в районах с мощным техногенным фоном среды. К числу таких реакций относится широко рекламируемая деградация лесов вблизи АЭС, расположенных на территориях, крайне перенасыщенных тяжелыми металлами, оксидами азота, сернистым ангидридом и др., в непосредственной близости от НьюЙорка, во Франции (в районах АЭС, расположенных в Бретани), в Германии
(вблизи Франкфурта) и др. Реакции подчеркиваются выявляемой здесь повышенной частотой генетических дефектов новорожденных с последующей деградацией интеллекта, ростом детской преступности.
Системные исследования экологических реакций на радиационную загрязненность среды, близкую по составу к выбросам от АЭС, были впервые
проведены Н. В. Тимофеевым-Ресовским. Наблюдения за сообществом биоценозов велись на грядках, в которые вносились радионуклиды ядерноэнергетического происхождения порядка 5 (малая радиоактивная загрязненность), 50 (средняя), 100 (высокая) мКи/м2 или 0,5, 50, 100 кКи/км почв соответственно. В микробассейны с озерной водой, водорослями, инфузориями
вносилось от 3 до 600 мкКи/л с аналогичным составом и шагом роста радиоактивной загрязненности. Для всех трех видов сообществ (наземный фитоценоз,
почвенный бактериоценоз и пресноводный перифитон) были получены принципиально сходные результаты. Малые радиоактивные воздействия (порядка
5 мкКи/л) как в почвенных, так и в водных биоценозах ведут к стимулу роста
и достоверному увеличению биомассы, более выраженному в группах простейших, сапрофитной микрофлоры почв.
Дальнейшее увеличение радиационных воздействий ведет к явному расслоению реакций: продолжению роста и увеличению биомассы низших биологических видов, но при угнетении пролиферации высших форм растений, организмов.
68
Чрезвычайно сложные внутрисистемные изменения по аналогии с популяционными реакциями могуи быть определены как деформация экосистем-
ного фенотипа. Такие реакции ведут к активации олиготрофной (пассивной
в дорадиационный период) микрофлоры почв, снижению численности разрыхлителей почв, беспозвоночных, изменениям устоявшихся дорадиационных
структур почвенных биоценозов, снижению плодородия почв. Эти изменения
временные и предполагают в последующем, в том числе и при максимальных
уровнях радиоактивного загрязнения среды, восстановление экологического
гомеостаза, особенно при отсутствии антропогенных вмешательств в экологический метаболизм.
В ряде экологических ситуаций растительность или определенные группы животных становятся критическими звеньями экосистем, что может служить основой патологической деформации биоценозов и его звеньев.
Так, накапливаемая деревьями (особенно елью, сосной и пихтой) радиоактивность в 20 раз превышает накопление фактора организмом человека, достигая 0,5 Гр при прочих равных условиях. По всей вероятности, именно эта
неучтенная особенность радиационного метаболизма и кумуляции радионуклидов лежит в основе болезненности лесов, прилегающих к АЭС в непосредственной близости от промышленных центров Европы, США. Значительно
превышаются антропогенные и лучевые нагрузки на сельскохозяйственные
зерновые, особенно в период интенсивного роста растений. Радиоактивность
зерна достигает 3‒7 Гр — доз, ведущих к подавлению созревания, резкому росту числа мутаций и накоплению неблагоприятного генетического груза выращиваемых культур. На территориях регулярного загрязнения среды, ведущего к
формированию лучевых нагрузок у человека порядка 0,5‒3 сЗв/год, облучение
популяций трав достигает 50‒300 сЗв. При этом у коров при их выпасе на таких
территориях развивается хроническая лучевая болезнь, сопровождающаяся резким, на 25‒50 %, снижением лактации [4].
1.9. Поведение долгоживущих радионуклидов
ядерно-энергетического происхождения в атмосфере и почве
Загрязнение атмосферы в результате ядерных взрывов
Атмосфера является мощным акцептором радиоактивных газоаэрозольных выбросов. Потоки воздушных масс ведут к относительно равномерному
(глобальному) распределению цезий-стронциевых фоновых загрязнений среды.
Наиболее загрязняют атмосферу наземные испытания ядерного оружия.
69
Поступление и распределение радиоактивности в атмосфере при взрывах
ядерного оружия подчиняется ряду закономерностей [4]:
1) взрыв сопровождается выделением громадной энергии. Она ведет к
разрушению не только молекулярных (химических), но и ядерных связей
вещества, образованию чрезвычайно активного шарообразного скопления
плазмы (оголенных ядер), быстро расширяющегося в атмосфере;
2) в процесс вовлекаются газы и аэрозоли воздушной среды, т.е.
образуются радиоактивные аэрозоли с частицами разных диаметров,
поднимающиеся в виде гриба.
Объем образовавшегося облака составляет примерно 100 км3 при взрыве
мощностью 20 кт тротилового эквивалента и 5 000 км3 при 1 Мт тротилового
эквивалента.
При этом в стратосферу (средний слой атмосферы) попадает от 20 (при
минимальной мощности взрыва) до 90 % (при максимальной мощности взрыва)
радиоактивных осколков деления. Остальное попадает в тропосферу (нижний
слой атмосферы).
Тропосфера. При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу
происходит их глобальное размывание и перемещение от мест взрыва током
воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим
параллелям. Так, продукты ядерных испытаний 7 марта 1955 г. в штате
Невада (США) в значительных количествах выпали 12 марта 1955 г. в Ленинградской области. После взрыва в Сахаре 13 февраля 1966 г. продукты деления
были обнаружены 17 февраля 1966 г. в Крыму. Аналогично распространялись
радионуклиды после чернобыльской аварии [4].
Основная часть загрязнений тропосферы выпадает с осадками в бли-
жайшие дни-недели от момента взрыва. Это происходит, так как аэрозоли вовлекаются в процесс формирования облаков. Незначительная часть радионуклидов сорбируется аэрозолями воздуха и в последующем выпадает в виде
сухих частиц. Скорость очищения тропосферы подчиняется экспоненциально-
му закону с периодом полуочищения 20‒40 суток.
Стратосфера. Гравитационное оседание частиц, ушедших в стратосфе-
ру, происходит крайне медленно, на протяжении десятилетий. Это происходит,
во-первых, из-за маленького размера радиоактивных частиц (0,1‒10 мкм), вовторых, из-за постоянных турбулентных токов подлежащих слоев атмосферы.
Радиоактивное облако, ушедшее в стратосферу, захватывается стратосферными воздушными течениями по параллелям со скоростью ~100 км/ч и,
постепенно вытягиваясь, формирует антропогенные радиоактивные кольца
70
планеты. Эти атмосферные процессы ведут к длительному, равномерному, ма-
лоинтенсивному загрязнению среды преимущественно Северного полушария
планеты.
Во время циркуляции в стратосфере меняется состав радионуклидов.
Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются,
остаются цезий-стронциевые источники глобального малоинтенсивного
загрязнения среды.
Еще один процесс происходит в атмосфере — это переход
радионуклидов из стратосферы в тропосферу с последующим оседанием.
Механизмы этого явления не выяснены. Переход происходит преимущественно
на широте 25‒30° в обоих полушариях с максимумом в Северном. Наибольшая
часть выпадений (стратосфера — тропосфера — земная поверхность)
смещается на широту 40‒50° [4].
Динамика глобальных выпадений меняется в течение года при максимуме, приходящемся на весну и начало лета (I и II кварталы — в Северном и IV —
в Южном полушариях).
В изменения собственно функций и структуры атмосферы радиационные
загрязнения этого ряда существенного вклада не вносят. Опасны они в основном для биоты и, конечно, для человека.
Загрязнение атмосферы от АЭС и предприятий
по переработке ядерного топлива
АЭС. Безаварийные выбросы атомными электростанциями являются не-
значительными, но постоянными источниками поступления радионуклидов в
атмосферу. Большая часть атмосферных загрязнений, выпадающих на поверхность Земли, при нормальном режиме работы АЭС крайне незначительна.
В состав аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу вследствие аварийной
утечки теплоносителя первого контура реактора, входит сложный комплекс
радионуклидов, в том числе 88Kr (криптон),
134
Cs, 58Co, 60Со, 54Мn,
104
Ва,
140
Za,
89
Sr,
131
I. Но опять же количество радиоактивных веществ, поступающих с вы-
бросами реакторов в атмосферу, невелико. Коллективная ожидаемая доза облучения населения, проживающего в радиусе 100 км от реактора при плотности
100 чел./км2, рассчитанная из среднего выброса и соответствующих дозовых
коэффициентов, может колебаться от 3 · 10-7 до 1 · 10-4 чел. · Гр/год [4].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]