Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационный контроль на продовольственных рынках. Учебное пособие.pdf
5. Каковы основные патологоанатомические изменения при
острой лучевой болезни?
6. В чем заключается профилактика острой лучевой болезни?
7. Какие лекарственные препараты применяют животным при
острой лучевой болезни?
8. Охарактеризуйте отдаленные последствия радиационного
воздействия на организм животных.
111
Глава 5
Основы радиоэкологии
5.1 Сельскохозяйственная радиоэкология, ее цель и задачи
Радиоэкология – наука о взаимоотношениях в природе радиоактивной среды и организмов и их сообществ, о миграциях и концентрациях радиоэлементов вследствие деятельности организмов,
об экологических цепях радиоактивного питания и индикаторных
видах, указывающих на присутствие значительных залеганий радиоактивных руд и радиоактивных загрязнений, о качественных
и количественных изменениях в растительном и животном населении под влиянием внешних и находящихся внутри организма изменений уровня радиоактивности.
Современная радиоэкология представляет собой разветвленную отрасль науки, в которой с учетом специфических особенностей объектов природной среды выделяют два крупных направления: радиоэкологию гидробиоценозов или водную радиоэкологию,
и радиоэкологию наземных биогеоценозов.
Основные задачи водной радиоэкологии – изучение миграции
радионуклидов в гидробиоценозах и действия ионизирующего излучения на гидробионты и околоводные сообщества растений и животных. Одна из прикладных задач этого направления – обеспечение охраны водной среды от радиоактивного загрязнения. Особенно важно
изучение экологии рыб, обитающих в загрязненных радионуклидами водоемах, поскольку рыба является существенным компонентом
пищевого рациона человека.
Один из разделов радиоэкологии наземных биогеоценозов –
лесная радиоэкология – изучает закономерности миграции радионуклидов в лесных экологических системах и действие ионизирующих
излучений на лесные биогеоценозы. Лесная радиоэкология разрабатывает научно-методические основы для обеспечения устойчивости
лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения.
Появление лесной радиоэкологии, как и радиоэкологии в целом, связано с освоением атомной энергии и, как следствие, рассеиванием искусственных радионуклидов в биосфере. Первые радио-
112
экологические исследования в России были начаты по инициативе
В.И. Вернадского еще в начале XX в. Существенный вклад в развитие лесной радиоэкологии был внесен А.X. Сперроу в Брукхевенской национальной лаборатории США. Совместно с Г.М. Вудвелом
он изучил радиочувствительность более 200 видов древесных пород.
Лес служит своеобразным аккумулятором радионуклидов при
глобальных выпадениях или выпадениях из переносимого ветром
радиоактивного облака. Пиломатериалы, дрова, грибы, ягоды и другие продукты леса при повышенном содержании в них радионуклидов могут стать источником облучения человека.
Расширение исследований по изучению поведения искусственных и естественных радионуклидов в пищевых цепочках, с участием
сельскохозяйственных растений и животных, привело к выделению
в самостоятельный раздел сельскохозяйственной радиоэкологии.
Изучением закономерностей накопления, распределения, выведения и влияния на организм аккумулированных в нем радионуклидов и внешнего облучения занимается экспериментальная радиоэко-
логия. Здесь наименее изученным вопросом является радиочувствительность различных живых организмов.
Успехи радиоэкологии в значительной степени зависят от разработки методов экологической дозиметрии, основная задача которой состоит в оценке доз излучения, получаемых организмами
в среде их обитания.
Каждое направление современной радиоэкологии имеет свои
задачи и перспективы развития, но в практическом отношении наиболее важным является изучение закономерностей миграции радионуклидов по пищевым цепочкам – в целях решения проблемы максимального снижения их поступления в организм человека.
Моря и океаны занимают 2/3 поверхности планеты, а плотность
выпадения искусственных радионуклидов на океаническую поверхность выше, чем на континентальную.
По существу, морская вода является хлоридно-сульфатно-натриево-магниевым раствором, в котором в виде следов и примесей находятся все остальные химические элементы, в том числе
и радиоактивные. Основные компоненты этого раствора находятся
в нем в постоянных концентрациях, но для большинства микроэлементов характерны пространственные и временные колебания
113
их абсолютного и относительного содержания. Это связано со специфическим сложным поведением микроколичеств вещества в растворе (когда начинают сказываться специфические законы адсорбции, коллоидообразования и др.), а также влиянием растворимого
и коллоидного органического вещества, бактерий, гидробионтов
и различных взвесей.
Для морских экосистем основной вклад в выведение радионуклидов из воды дают литодинамическая и биологическая адсорбция.
Литодинамическая адсорбция состоит в поглощении радионуклидов поверхностью взвешенных частиц и илов и осаждении их на
дно. Основное значение в этом процессе принадлежит глинистым
минералам, органическому углероду, железу, марганцу и алюминию.
Они обладают огромной сорбирующей емкостью по отношению
к содержащимся в жидкой фазе радионуклидам, что приводит к отложению радиоактивных веществ на дно. Аккумуляция радионуклидов в донных отложениях может обусловливать накопление их в организмах, обитающих в илах, а это может привести к поступлению
радионуклидов с продуктами моря в организм человека.
Сорбционная способность донных отложений зависит от размера частиц илов, физико-химических свойств радионуклидов и состава жидкой фазы.
Биологическая адсорбция происходит непрерывно в процессе
солевого обмена водными организмами с внешней средой (водой)
и обусловлена проницаемостью для ионов покрова тела всех видов
гидробионтов. Для конкретного организма она заканчивается либо
трансформацией по пищевым цепям, либо вовлечением его в донные
осадки (после отмирания). Скорость сорбирования и коэффициенты
поглощения радионуклидов из воды определяются индивидуальными особенностями того или иного вида (морфологические черты организма, возраст, площадь адсорбционной поверхности тела).
Концентрация радионуклидов в гидробионтах зависит не только от концентрации радиоактивных веществ в воде, но и от степени
ее минерализации. Так, содержание Sr и Cs в морских гидробионтах существенно ниже, чем в обитателях пресноводных водоемов.
С уменьшением степени минерализации воды в местах впадения
в моря и океаны рек, несущих более пресные воды, концентрация
искусственных радионуклидов в гидробионтах увеличивается. На-
114
пример, содержание Sr в костях рыб в заливах Балтийского моря
примерно в пять раз выше, чем в рыбах Атлантического океана.
В организме рыб радионуклиды распределяются избирательно.
Критическим органом является костный скелет, плавники и чешуя,
т.е. ткани, содержащие Са. В мышцах же его концентрация значительно ниже. Цезий, напротив, накапливается в мышечной ткани
и коже рыб.
Пресноводные водоемы. В пресноводной среде накопление радионуклидов гидробионтами существенно отличаются от морской. Это
объясняется физико-химическими, гидрологическими, гидродинамическими и гидрохимическими особенностями пресноводной воды.
Пресные водоемы содержат меньше солей, что обеспечивает большее
накопление радионуклидов в пресноводных растениях и животных по
сравнению с морскими и океаническими. Пресноводные организмы
для поддержания нужного осмотического давления, гипертонического по отношению к окружающей пресной воде, поглощают из нее
соли, а морские для саморегуляции их, наоборот, выделяют.
В природных условиях основное количество осевших из воздуха на зеркало пресноводного водоема или сброшенных в эти водоемы искусственных радионуклидов довольно быстро переходило
в донные отложения, а в биомассе накапливалось незначительно. Например, содержание Sr и Сs в биомассе одного из пресноводных озер
зоны умеренного климата равно соответственно 0, 85 и 0,3 % общего
количества радионуклидов в водоеме. Эффект трофических уровней
проявляется только для хищных видов рыб и характеризуется повышенным накоплением радиоактивного цезия в тканях хищных видов
рыб по сравнению с растительноядными.
При попадании радионуклидов в водоемы возникает проблема
радиационной безопасности в двух аспектах:
– биологическом – влияние повышенного фона ионизирующих излучений на гидробионты;
– санитарно-гигиеническом – водная продукция (рыба и морепродукты), может быть использована как компонент рациона человека, а водоем – как источник воды для человека и животных. Кроме
того, вода может быть использована как источник орошения. Тогда
радионуклиды могут попасть в организм человека с продуктами, выращенными на орошаемых землях.
115
Почва – важнейшее депо искусственных радионуклидов
в наземной природной среде. Радиоактивные вещества поступают
в почву из атмосферы в составе глобальных выпадений и выбросов
АЭС, а также в виде твердых и жидких отходов предприятий ядерного топливного цикла. Радионуклиды со временем вовлекаются
в биологический круговорот, передаются по цепям питания и могут
вызывать негативные последствия.
Радионуклиды в зависимости от химических свойств обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, либо сохраняться и накапливаться.
Радионуклиды, поступившие в почву, не изменяют физикохимического состава почвы и с течением времени распределяются в 30-сантиметровом слое. В почве радионуклиды включаются
в различные процессы, среди которых наибольшее значение имеют
сорбция и миграция. Радионуклиды вступают в физико-химические
реакции взаимодействия с почвенным поглощающим комплексом
(ППК), усваиваются почвенными микроорганизмами, образуют нерастворимые и растворимые в почвенном растворе соли и коллоидные соединения, что сопровождается трансформацией форм их соединений, изменением миграционной подвижности и биологической
доступности для корневых систем растений. Поглощение радионуклидов ППК определяется процессами распределения между двумя
основными фазами почвы — твердой и жидкой и осуществляется за
счет следующих основных взаимообратимых процессов.
1. Сорбция ↔ десорбция. Сорбция – это поглощение радионуклидов твердыми частицами почвы из почвенного раствора. Десорбция – это выделение или переход радионуклидов из частиц
в почвенный раствор. Поглощение радионуклидов поверхностным
слоем частиц называется адсорбцией.
2. Осаждение ↔ растворение. Осаждение – это образование
труднорастворимых и нерастворимых соединений радионуклидов.
Растворение – это переход радионуклидов в почвенный раствор из
соединений.
3. Коагуляция ↔ пептизация. Коагуляция – это образование
крупных коллоидных соединений в дисперсных системах. Пептизация – это распад крупных и сложных соединений на мелкие и простые.
116
На подвижность радионуклидов в почве оказывают влияние
такие факторы, как физико-химическая характеристика радионуклидов, время и формы нахождения в почве, свойства почвы, погодноклиматические условия, тип растительного покрова.
Среди физико-химических характеристик наибольшее влияние
на поведение радионуклидов в почве оказывают свойства радиоактивных выпадений и равномерность распределения их в почве,
степень дисперсности и растворимость выпадений, атомная масса
и величина заряда иона радионуклида, способность радионуклида
образовывать комплексные и нерастворимые соединения, а также
способность радионуклидов к изоморфному замещению элементов
в почвенных минералах. Радионуклиды, поступившие в почву в водорастворимой форме и в составе тонкодисперсных радиоактивных
частиц, активно и быстро включаются в почвенные процессы. При
этом одновалентные ионы цезия-137 вступают в ионно-обменные
реакции с ионами глинистых частиц почвенно-поглощающего комплекса, где прочно фиксируются, изоморфно замещая калий в кристаллических решетках. Ионы двухвалентного стронция-90 практически не участвуют в таких ионно-обменных реакциях, поэтому
стронций-90 не поглощается ППК и находится в почве в подвижном
состоянии.
Основная масса радионуклидов (до 90 %) на необрабатываемых
почвах находится в верхнем 0–5-сантиметровом слое (суглинистые
почвы) или в 0–10-сантиметровом слое (супесчаные почвы). Миграция по профилю почвы происходит очень медленно.
На пахотных почвах радионуклиды равномерно перемешаны
в пахотном слое (0–25 см). В подпахотном горизонте концентрация
радионуклидов менее 1 % от общего содержания радионуклидов
в слое 0–30 см.
Растения. Известно, что в растениях может накапливаться, не
повреждая их и не снижая урожайность, такое количество радионуклидов, при котором растениеводческая продукция становится
непригодной для использования. Радионуклиды в растения могут
поступать через вегетативные органы – аэральный путь поступления и через корневую систему – корневой путь поступления. Аэральное поступление наиболее значимое при радиоактивном загрязнении воздушной среды сразу после радиационного инцидента.
117
При попадании радионуклидов в почву преобладает корневой путь
поступления. При аэральном загрязнении на наземные органы растений оседают радиоактивные аэрозоли, оплавленные силикатные
и карбонатные частицы грунта, частицы топлива, высокорадиоактивные «горячие» частицы, входящие в состав «сухого» и «мокрого» выпадения. Степень удержания радиоактивных выпадений
растительностью оценивается по величине первичного удержания,
которое выражается отношением количества радиоактивных частиц,
осевших на растения, к общему количеству радиоактивных частиц,
выпавших на данную площадь.
Первичное удержание и последующие процессы потерь радиоактивности зависят от многих факторов, в том числе от размера
частиц и вида выпадений, площади удерживающей поверхности
и плотности растительного покрова, морфологии растений и типа
травостоя, урожайности наземной массы, метеоусловий во время
и после выпадения радиоактивных осадков и др. Мелкие частицы
и водорастворимые формы закрепляются в 4–7 раз прочнее, чем
крупные и твердые нерастворимые частицы. Наиболее эффективно
растения задерживают частицы с диаметром менее 45–50 мкм.
Потери радиоактивности растениями, обусловленные всеми
факторами, кроме радиоактивного распада, называются полевыми
потерями радиоактивности. Скорость удаления радиоактивных веществ с растительного покрова характеризует период полупотерь,
т.е. время, за которое смывается дождем и сдувается ветром 50 %
активности. Максимальные потери радиоактивности происходят
в первые 2–3 суток, а всего за 7 суток она снижается на 70–90 %.
Потери фиксированных радионуклидов мало зависят от погодных
условий и определяются свойствами радионуклидов и биологическими особенностями растений. Период полупотерь для слабозакрепленной фракции йода-131 составляет 14 суток, цезия-137 – 14 суток, для стронция-90 – 5 суток, а для прочнозакрепленной фракции
этих радионуклидов – соответственно 27, 90 и 70 суток.
Величина накопления радионуклидов зависит от следующих
основных показателей: 1) свойств радионуклидов и форм нахождения их в почве; 2) физико-химических параметров почвы; 3) биологических особенностей растений; 4) агротехники возделывания;
5) погодно-климатических условий. При поступлении из водного
118
раствора коэффициент накопления Сs-137 значительно выше, чем
Sr-90. При поступлении из почвенно-поглощающего комплекса
коэффициент накопления цезия-137 намного меньше, чем стронция-90. Это связано с более прочной сорбцией цезия-137 минеральной частью почвенно-поглощающего комплекса.
На накопление радионуклидов растениями оказывают влияние
различные биологические особенности растений, среди которых выделяют эволюционное происхождение растений или филогенез. Растения, имеющие раннее происхождение, накапливают больше радионуклидов, чем растения, возникшие в поздние периоды. По накоплению радионуклидов отделы флоры располагаются в следующем
убывающем порядке: лишайники > мхи > папоротники > голосеменные > покрытосеменные. Различия по накоплению радионуклидов
выявлены в пределах классов, семейств и видов. Межвидовые различия могут достигать до 5–100 и более раз. По накоплению радионуклидов в товарной части культуры располагаются в следующем
убывающем порядке: корнеплоды, бобовые, картофель, крупяные,
зерновые и овощные культуры. По накоплению стронция-90 выделяют сильнонакапливающие культуры (бобовые), средненакапливающие культуры (крупяные) и слабонакапливающие культуры (зерновые). Бобовые культуры накапливают радионуклиды в 2–10 раз
больше, чем зерновые.
Высокие коэффициенты накопления радионуклидов у многолетних трав естественных фитоценозов, видовой состав которых
зависит от типа и влажности почвы, при этом видовые различия
в пределах одной экосистемы достигают 15–30 раз. Осоковые и осоко-злаковые ценозы, произрастающие на постоянно переувлажненных почвах, накапливают цезий-137 в 100 и более раз больше, чем
злаковые ценозы. Высокие коэффициенты накопления характерны
для разнотравья всех фитоценозов.
Накопление радионуклидов зависит от места расположения,
типа и мощности корневой системы. Растения с мочковатой и корневищной корневой системой, расположенной в верхних слоях почвы,
накапливают больше радионуклидов, чем растения со стержневой
системой, которая проникает в более глубокие и «чистые» почвенные горизонты.
119
Из климатических условий наибольшее влияние на поступление радионуклидов оказывают годовое количество осадков, их распределение по месяцам и сумма положительных температур. Максимальное поступление радионуклидов наблюдается при оптимальной
температуре и оптимальной влажности, которые обеспечивают интенсивный рост и развитие растений. Кроме свойств радионуклидов,
почвенных характеристик и биологических особенностей растений
на накопление радионуклидов значительное влияние оказывает технология возделывания культур, т.е. система обработки почвы, внесение извести, минеральных и органических удобрений.
При накоплении радионуклидов в сельскохозянственной продукции из почвы важное значение имеют лишь относительно долгоживущие радионуклиды (с периодом полураспада от нескольких
десятков суток и более). Радионуклиды с меньшим периодом полураспада успевают распасться за вегетативный период.
5.2 Источники радиационного загрязнения окружающей среды
Все живые существа на земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения за счет естественных (космическое излучение и природные
радиоактивные вещества) и искусственных (отходы атомной промышленности, радиоактивные изотопы, используемые в биологии,
медицине и сельском хозяйстве, и др.) источников ионизирующих
излучений.
Радионуклиды естественного и искусственного происхождения широко распространены в природе, они рассеяны в земной коре,
воде, воздухе, растениях и теле животных.
К радионуклидам естественного происхождения относят те,
которые образовались на Земле без участия человека. Это, прежде всего, долгоживущие изотопы
а также дочерние радиоактивные продукты распада этих изотопов.
Сюда относятся также радионуклиды, образующиеся под действием космического излучения на Земле и попадающие из Космоса
на Землю.
238
U,
235
U,
236
232
Ra,
Th, 40K и т.д.,
120