Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сорбция цезия-137
.pdf
В настоящее время, по данным радиационного контроля,
производимая на территории загрязнения республики сельскохозяйственная продукция и продукты питания в полной мере
отвечают санитарно-гигиеническим нормативам. В значительной степени эти результаты были достигнуты практически
к 2000 г., к которому производство молока, загрязненного цезием-137 свыше 100 Бк/л, сократилось с 524,6 тыс. т в 1986 г. до
1,4 тыс. т, а в 2010–2016 гг. полностью прекращено. Также по результатам поступающего на убой крупного рогатого скота его
возврат с мясокомбинатов был полностью прекращен начиная
с 2011 г. Так, если количество мяса, загрязненного цезием-137
более 500 Бк/кг, в 1986 г. достигало 21,1 тыс. т, в 1999 г. – 360 т,
в 2010 г. – 100 кг, то в 2011 г. подобного рода мяса на перерабатывающих предприятиях не отмечалось [183].
В отношении зерна и овощей показано, что они соответствуют гигиеническим нормативам по содержанию цезия-137, картофель – как по цезию-137, так и по стронцию-90.
В результате нормируемого производства и потребления
продуктов питания по содержанию радионуклидов накопленная
доза облучения населения Беларуси за 1986–2005 гг. составила
около 24 тыс. чел.-Зв вместо прогнозируемых 176 тыс. чел.-Зв,
или коллективная доза оказалась в 7,3 раза ниже [80].
Однако следует отметить, что если содержание цезия-137
в объектах сельхозпроизводства постепенно снижается, то в полной мере проблема сверхнормативного загрязнения стронцием-90 продукции растениеводства не решается. Она связана
с тем, что доступность стронция-90 растениям со временем возрастает.
В настоящее время для перерабатывающих предприятийэкспортеров Беларуси в страны Таможенного союза ЕАЭС актуально соответствие говядины требованиям как Технического
регламента данного объединения (TP TC 021/2011), так и ГН-22.
Поэтому производители сельскохозяйственной продукции обязаны получать мясо крупного рогатого скота с удельной активности цезия-137 не выше 200 Бк/кг. А это требует снижения активности рационов крупного рогатого скота на заключительной
31
стадии откорма до 2,5 раз по сравнению с существовавшими до
этого требованиями.
Таким образом, в соответствии с установленными в вышеприведенных документах пределами доз облучения были разработаны нормативы на содержания радиоактивных йода, цезия
и стронция в продуктах питания. Данные нормативы периодически менялись в сторону ужесточения требований по мере снижения допустимых доз облучения и улучшения радиационной
обстановки. Последним к настоящему времени является обобщенный норматив Санитарные нормы и правила «Требования
к обеспечению радиационной безопасности персонала и населения при осуществлении деятельности по использованию атомной энергии и источников ионизирующего излучения» [154], изданный на основе известного нормативного акта РДУ-99 [146].
Важным дополнением к документам, ограничивающим содержание радионуклидов в продуктах питания и питьевой воде, является норматив по содержанию радиоактивных цезия и стронция в сельскохозяйственной продукции (в частности, в кормах
животных) [147].
3. СОРБЦИЯ ЦЕЗИЯ ПОЧВОЙ
Начало появления, а затем и накопления в биосфере искусственных радионуклидов было связано с активным испытанием
ядерного оружия. Почва биосферы является одним из основных
природных образований, где происходит их депонирование.
Большая почвенная емкость поглощения и сорбции создают
в поверхностном слое земли мощные резервуары техногенных
радионуклидов. Сорбция в почве, с одной стороны, способствует закреплению радионуклидов в корнеобитаемом слое и длительному поступлению в растения; с другой стороны, сильная
сорбция твердой фазой почвы тормозит усвоение. Усвоение
радионуклидов растениями в важнейшем звене их миграции
«почва – растения» во многом зависит как от свойств почв, так
и свойств самих радионуклидов.
Во время депонирования радионуклидов происходит их распределение между твердой и жидкой фракциями почвы. Данный
процесс осуществляется за счет сорбции-десорбции, осаждения
и коагуляции [161]. Для характеристики распределения радионуклидов между твердой и жидкой фазами почвы введен коэффициент распределения Кр, представляющий отношение равновесных концентраций радионуклида в твердой и жидкой фазах.
В почвах радионуклиды находятся в ультрамикроскопических количествах. Так, при содержании 3,7 · 10
10
Бк/км2 (1 Ки/км2,
или 37 кБк/м2) массовая концентрация цезия-137 в пахотном слое
почвы составляет 3,9 · 10
–12
%, или 3,9 · 10
–11
п/г. Во время аварии
на Чернобыльской АЭС в 1986 г. в воздух попало порядка 27 кг,
или 27 · 10
12
п/г цезия-137 [62, 92, 161].
33
Известно, что у цезия 40 изотопов, но всего четыре из них
встречаются в природе: цезий-133, цезий-134, цезий-135 и цезий-137. Только один цезий-133 отличается стабильностью. Металл характеризуется достаточно низкой температурой плавления (28,5 °C), ниже только у ртути, имеет серебристо-желтый
цвет. Является одним из самых реакционноспособных металлов, т. е. немедленно вступает в реакцию со многими элементами и веществами. Это связано с большим размером атома цезия
и низким эффективным зарядом ядра. Электроны слабо связаны
с ядром и быстро отпадают от него в химических реакциях.
Природный цезий представлен одним стабильным изотопом
цезием-133, содержание которого в земной коре равно 6,5 · 10–4 %.
В состав продуктов деления входят два радиоизотопа цезия – цезий-137 и цезий-134, относящиеся к числу биологически подвижных в сельскохозяйственных цепочках. Цезий-137 – один из основных дозообразующих радионуклидов среди продуктов деления.
цезия-137 = 30,17 года, он – β- и γ-излучатель с максимальной
Т
1/2
энергией β-излучения 1,76 МэВ. Цезий-134 имеет Т
= 2,06 года
1/2
с максимальной энергией β-излучения 0,662 МэВ, γ-излучения
1,367 МэВ. Большая подвижность цезия-137 и цезия-134 определяется тем, что это радиоизотопы щелочного элемента, химического аналога биогенно важного элемента К, который является в природных системах химическим аналогом цезия-137 и цезия-134.
Степень окисления цезия-137 в любых компонентах природной среды +1. Важной особенностью поведения радиоактивных
и стабильного изотопов цезия является их способность наряду
с ионообменным связыванием к необменной сорбции (фиксации)
твердой фазой почв. Причиной фиксации является взаимодей-
+
ствие ионов Сs
с кристаллической решеткой некоторых глинистых минералов. При фиксации ионов почвой наряду с обычными факторами, определяющими ионообменную адсорбцию (такими, например, как концентрация и ионный состав почвенного
раствора), играют важную роль такие характеристики, как минералогический состав почвы, особенности структуры глинистых
минералов, форма и размеры частиц этих минералов, их содержание в почве [131]. Совокупность почвенно-химических реакций, ведущих к снижению подвижности цезия-137 (в принципе
34
любых радионуклидов) в почве и ослаблению их накопления растениями, получила название старения. Процессы, ведущие к старению цезия-137 в почвах, различны. В частности, цезий-137 участвует в кристаллохимических реакциях с вхождением радио нуклида в межпакетные пространства вторичных глинистых
минералов. Прочно фиксированные ионы радиоизотопов цезия
в существенно меньшей степени переходят в почвенный раствор
и, следовательно, в меньшей степени доступны растениям.
Основной фракцией, ответственной за сорбцию цезия-137
в почве, является ил (в илистой фракции почв остается наибольшее количество цезия-137, которое не вытесняется в раствор
NН4Сl после нескольких обработок: в иле дерново-подзолистой
почвы – 50 %, чернозема – 70 % от поглощенного). На сорбцию
цезия-137 значительное влияние оказывает также минералогический состав почв. Сорбция цезия-137 на минералах монтмориллонитовой группы (асканит, гумбрин, бентонит), гидрослюдах (вермикулит, гидрофлогопит), каолините, слюдах (флогопит, биотит,
мусковит, вивианит) происходит довольно полно, составляя 98–
99 %. Исключение составляют минералы дамурит (гидрослюды)
и гидрогетит (полуторные оксиды), которые поглощают 70–84 %
цезия-137. По снижению прочности закрепления цезия-137 почвенные минералы располагаются в ряд: асканит, гидрофлогопит,
флогопит, гумбрин, вермикулит, бентонит, каолинит, вивианит,
гидрогетит, биотит, мусковит, дамурит [25, 26, 195].
На сорбцию цезия-137 почвами оказывает существенное
влияние К: замещение всех обменных катионов почвы на К заметно увеличивает сорбцию цезия-137. Поглощение цезия-137
почвой изменяется от присутствия в системе почва – раствор
стабильного цезия: чем выше содержание стабильного цезия,
тем меньше цезия-137 сорбируется почвой. Сорбция радиоизотопов цезия в большой степени зависит от концентрации конкурирующих катионов в растворе. По уменьшению влияния конкурирующих катионов на сорбцию цезия-137 твердой фазой почв
наблюдаются следующие ряды: Сs+ > Rb+ > NH
Сs+ > NH
+
> К+ > Мg2+ > Sr2+, причем увеличение концентра-
4
+
> К+ > Na+ или
4
ции конкурирующих ионов в растворе от 0,01 до 0,1 н. приводит
35
к снижению Кр цезия-137 в 2–15 раз на выщелоченном черноземе. На дерново-подзолистой почве Кр цезия-137 в присутствии
указанных ионов в 1,5–22 раза ниже. Минеральные и органические удобрения, а также известь усиливают прочность закрепления цезия-137 в почвах. Поглощенный почвой цезияй-137 слабее
всего вытесняется в том случае, если в почву длительное время
вносится навоз совместно с минеральными удобрениями. С увеличением рН почвенного раствора от 4,4 до 8,3 поглощение цезия-137 у подзолистых почв возрастает на 220 %, а у краснозема – на 250 % [7, 26, 71, 96, 133].
Формы нахождения цезия-137 в зависимости от свойств почв
существенно различаются. Содержание обменного цезия-137
практически на почвах всех типов больше кислоторастворимого (необменного). В супесчаной и среднесуглинистых дерновоподзолистых почвах и красноземе находится в обменной форме
более 20 % радионуклида, а в почвах других типов – в 1,5–3 раза
меньше. На почвах тяжелых по гранулометрическому составу
и с высоким содержанием обменных оснований и гумуса количество цезия-137 в обменной и кислорастворимой (необменной)
формах составляет 15–20 % (каштановая почва, серозем, чернозем). В почвах, имеющих высокую гидролитическую кислотность, малую степень насыщенности основаниями, легких по
гранулометрическому составу, содержание доступного растениям цезия-137 достигает 35–40 % [26, 71, 96, 133, 156].
Роль органического вещества в сорбции радиоизотопов цезия твердой фазой почв невелика, закрепление цезия-137 в органогенных почвах, как правило, незначительно. Исключение
представляют почвы торфяного и болотного рядов (как, например, в регионе аварии на Чернобыльской АЭС), где высокая подвижность цезия-137 в системе «почва – растение» связывается
с наличием в почвах большого количества органических соединений, содержащих цезий-137. Сорбция цезия-137 контрастными по физико-химическим свойствам почвами 12 типов составляет 96,7–99,9 %, десорбция: водой – 0,03–2,77 %; 1 н. раствором
ацетата аммония 9,5–91,7 % [141]. На почвах 7 типов сорбция цезия-137 составила 99,1–99,7 %, десорбция: 0,5 н. раствором KN0
4,2–63,4 %; 0,5 н. раствором NH
3,4–64,8 % [46].
4N03
3
4. РЕГУЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ
В ЗВЕНЕ «КОРМ – ЖИВОТНОЕ»
Масштабы и уровень загрязнения сельскохозяйственных
угодий в результате аварии на ЧАЭС долгоживущими цезием-137 и стронцием-90 были беспрецедентными и вывели производство продукции растениеводства и животноводства в критическое состояние. При этом уровни загрязнения цезием-137
в 10–100 раз превышали загрязнение стронцием-90 [109, 121].
Основной путь поступления радионуклидов из внешней среды в организм сельскохозяйственных животных и птиц – оральный. Радиоактивные вещества поступают в ЖКТ преимущественно с кормом и в меньшей степени с водой. Проникновение
радионуклидов в организм через органы дыхания [38, 53], неповрежденную кожу [54] незначительно.
Если после однократного поступления радионуклиды выводятся из организма сравнительно быстро, то в условиях длительного хронического поступления наряду с процессами выведения и перераспределения происходит непрерывный переход
радионуклидов из ЖКТ в скелет, мышцы, внутренние органы
и накопление радионуклидов в этих органах [88, 138].
В начале поступления радионуклидов отмечается интенсивное отложение их в органах и тканях, а затем оно увеличивается
незначительно, стремясь к относительно постоянному уровню.
Через определенный промежуток времени, зависящий от вида
животного, его возраста, режима кормления и других факторов,
устанавливается равновесие между вновь поступившими в организм радионуклидами и выводимыми из него [29, 31].
Практический интерес представляют сведения о количестве
отложенных продуктов деления в скелете, мышцах, других ор-
37
ганах и тканях. Вследствие высокой скорости обмена в мягких
тканях сравнительно быстро устанавливается состояние равновесия: для стронция-90 – на пятый-девятый день [82, 116], для
цезия-137 наступает позднее, например, у овец – через 105 дней
после начала введения [29]. Цезий-137, поступивший в организм,
по мягким органам и тканям распределяется сравнительно равномерно. Исключение составляет жировая ткань, в которой накопление радионуклидов на единицу массы меньше, чем в других мягких тканях.
Процесс накопления радионуклидов в скелете, мышцах
и внутренних органах при хроническом поступлении с рационом происходит постепенно. Если при хроническом введении
стронция-90 животным равновесие между поступлением радионуклида с рационом и накоплением в мягких тканях устанавливается довольно быстро (через пять-семь дней), то в более поздние сроки затравки относительная величина перехода радионуклида из рациона в эти ткани закономерно снижается.
Соотношение стронция-90 в скелете к стронцию в мягких
тканях для основных домашних животных составляет 100–
1000 : 1 [138, 210]. В условиях хронического поступления с рационом цезия-137 накопление его в мышцах и внутренних органах
происходит так же постепенно, как и стронция-90, но более длительно. Равновесная концентрация цезия-137 в мягких тканях
у коз устанавливается приблизительно за 10 дней, у коров – за
30 дней [31, 38].
Величина перехода цезия-137 из ЖКТ в мышцы у травоядных животных такая же, как и у всеядных. На седьмой день после перорального введения цезия-137 в мышцах обнаруживается
(в относительных единицах): у коров – 30, у овец – 41, у свиней –
23, у кур-несушек – 24 [29–31, 205].
Чтобы можно было рассчитать содержание радионуклидов
в продуктах животноводства, был введен коэффициент перехода (КП) радионуклида из корма в мясо и из корма в молоко.
КП определяют по соотношению радионуклида в единице животноводческой продукции к его содержанию в рационе. Переход радионуклидов в мясо и молоко зависит от многочисленных
38
факторов. На величину КП прежде всего влияют особенности
кормления, концентрация радионуклида в кормах, химическая
форма радионуклида, отношение содержания нуклида к стабильному изотопу, особенности корма или разбавители загрязненных кормов; специфические видовые особенности животных: возраст, физическое состояние животного, порода и т. д. [8,
163, 164]. Поэтому КП в разных источниках варьируются в широких пределах [73]. При расчетах миграции радионуклидов
в кормовых цепях принимают во внимание главным образом
КП при хроническом поступлении радионуклидов, полученные
при равновесной концентрации.
У молочных коров величина перехода цезия-137 из рациона
в мясо рядом исследователей получена в пределах 0,0047–0,0418
[210], в среднем 0,010 [73], мясо бычков-откормочников – 0,0073–
0,0930 [201], у телят величина перехода составляла от 0,042 до
1,531 [73, 107].
Установленная в ряде исследований величина перехода цезия-137 в молоко коров составляла от 0,0017 до 0,009 [73]. Такие
колебания объясняются разнообразием условий исследований
и степенью точности измерений.
Переход стронция-90 из фуража в продукты животноводства
довольно подробно описан в литературе. Значения коэффициентов перехода радиостронция в мясо крупного рогатого скота самые низкие – 0,0004–0,0007, в мясо телят – 0,0015–0,0028, в мясо
овец – 0,0011–0,004, в мясо кур – 0,0009–0,041 [15]. Величина
перехода стронция-90 в молоко КРС составляет 0,00041–0,0029,
в среднем 0,0013 [14, 104].
Миграция радионуклидов из рациона животных в костную
и мышечную ткани с возрастом животных снижается [138]. Это
объясняется тем, что с увеличением возраста крупного рогатого
скота резорбция радионуклидов в ЖКТ закономерно уменьшается и отложение их в органах и тканях снижается.
Цезий-137 накапливается главным образом в мышцах, причем на пути передвижения цезия-137 от рациона к мясу дискриминация цезия-137 относительно калия отсутствует и даже, наоборот, наблюдается увеличение отношения цезий/калий в мясе
39
по сравнению с предыдущим звеном биологической цепи в 2,5–
3,2 раза [30]. Учитывая значительные колебания величины указанных показателей при оценке перехода цезия из рациона в мясо
сельскохозяйственных животных, отношения цезий/калий могут
быть использованы только в качестве ориентировочных.
Так как переход цезия-137 в кормовых цепочках «корм – молоко», «корм – мышцы» колеблется в довольно больших пределах, выяснение причин, стимулирующих или ограничивающих
переход нуклида, имеет не только научное, но и большое практическое значение для ведения животноводства на загрязненной
территории. Из литературных источников известно, что при
благоприятных условиях всасывание инкорпорированного цезия-137 в ЖКТ жвачных составляет 50–80 % [73]. В отдельных
случаях эта величина зависит от условий кормления животных.
Например, повышенное содержание сырой клетчатки может
снизить всасывание в ЖКТ цезия-137 [76]. При кормлении преимущественно зерном накопление цезия-137 в организме идет
более интенсивно, чем при кормлении сеном или силосом [87].
В ряде исследований установлено, что одним из условий получения «чистой» животноводческой на загрязненной территории
является повышение продуктивности животных. Достигается
оно путем полноценного обеспечения животных комплексом
питательных веществ, к которым относятся макро- и микроэлементы [88, 149].
Основным источником минеральных веществ для животных являются растительные корма. Геохимия почв – один из
ведущих факторов, определяющих жизнедеятельность сельскохозяйственных животных, их продуктивность, воспроизводительную способность и естественную резистентность. При
негативных изменениях биогеохимии почвенного покрова происходит снижение продуктивности, воспроизводительной способности сельскохозяйственных животных, их устойчивости
к макро- и микроэлементозам. Эндемические болезни сельскохозяйственных животных – результат негативных изменений
геохимии почв, вод и атмосферного воздуха [70, 72].
Дерново-подзолистые песчаные почвы, которые являются
основными в Белорусском Полесье, необычайно бедны не толь-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]