Практикум по токсикологии. Кудров

РАБОТА 5. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗО-

ПАСНОСТИ

1. Общие сведения

Радиационная безопасность - система технических и организационных мер по защите персонала предприятий, населения и окружающей среды от воздействия проникающих излучений, направленная на обеспечение отсутствия неблагоприятных эффектов или вреда здоровью. Термин «Безопасность» не совпадает с бытовым понятием безвредности. Всѐ живое находится под влиянием среды, действующей в направлении разрушения биосистемы. Состояние «устойчивого неравновесия» достигается благодаря притоку энергии солнечной радиации у растений, процессов окисления у животных, поэтому даже естественные физиологические процессы дыхания в определенных условиях могут считаться вредными. Так как радиация – это постоянно действующий экологический фактор, то увеличение интенсивности радиационного фона, концентрации радионуклидов, появление изотопов, ранее не встречавшихся в окружающей среде повышает вероятность нарушения процессов защиты и «потери устойчивости» биологической системы. Корректным, с научной точки зрения, является исследование интегральных показателей риска внесения изменений в конкретные условия существования организма или популяции.

Токсикология, как наука, изучающая неблагоприятное действие опасных и вредных экологических факторов (ОВЭФ) на биологические системы, отвечает за определение условий, при которых обеспечивается безопасность, как отдельной личности, так и общества в целом. Задачей научных исследований является получение доказательств, необходимых для внедрения или ограничения новаций, связанных с ОВЭФ и увеличивающих интегральные показатели риска.

62

В ходе исследований разрабатываются нормативы безопасности - государственные положения для обеспечения безопасности персонала, населения, окружающей среды: "Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счет природных источников ионизирующего излучения" (СП 2.6.1.1292-03), Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-2000) СП 2.6.1.799-99), которые основываются на Федеральном законе от 9 января 1996 г. N 3-ФЗ "О радиационной безопасности населения" и на «Нормах радиационной безопасности» (НРБ-99 СП 2.6.1.759-99). Эти нормативные правовые акты устанавливают санитарно-эпидемиологические требования, в том числе критерии безопасности и безвредности факторов среды обитания для человека и гигиенические нормативы. Их соблюдение является обязательным для граждан, индивидуальных предпринимателей и юридических лиц. За нарушение санитарного законодательства устанавливается дисциплинарная, административная и уголовная ответственность.

2. Радиация и радиоактивность

Все типы радиации можно разделить на электромагнитные волны (фотоны) и корпускулярное излучение. Под действием испускаемых частиц и квантов в веществах образуются положительные и отрицательные ионы. Этот вид радиации называют ионизирующим излучением. Ионизацию вызывают следующие виды излучения: заряженные частицыядра гелия ( -частицы), ядра водорода (протоны), электроны ( -частицы), а также осколки деления ядер элементов; незаряженные нейтроны и электромагнитные кванты высокой энергии ( -излучение и рентгеновские лучи). Для ионизации атомов большинства элементов, входящих в состав молекул биологических систем, необходимо затратить энергию около 10-12 эВ, что определяет потенциал их ионизации. Для электромагнитных излучений это соответствует частоте колебаний примерно 2420-2910 КГц и захватывает не только об-

63

ласть собственно гамма- и ренгеновского излучений (по физической терминологии), но и частично диапазон ультрафиолетового света — дальнее жесткое ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи).

При движении заряженных незаряженных и заряженных частиц с изначально равной энергией плотность ионизации выше для заряженных частиц, они быстрее теряют энергию. Нейтроны и электромагнитное излучение способны глубже, чем заряженные частицы, проникать в материалы, что соотносится с понятием «проникающая радиация». Тяжесть биологических последствий выше при более высокой плотности ионизации. Таким образом, биологическое действие ионизирующего излучения определяется плотностью ионизации и энергией частиц и фотонов.

Наряду с ионизацией все виды излучений обладают способностью в зависимости от энергии квантов или частиц возбуждать атомы или молекулы вещества и переводить их в нестабильное состояние, т.е. перемещать электрон с внутренней на внешнюю атомные оболочки. Для этого требуется меньшая энергия, чем для ионизации, и ею обладает "ближний" ультрафиолетовый свет, являющийся наиболее ярким представителем излучений неионизирующего типа. Оба процесса — ионизация и возбуждение – увеличивают скорость реакций с участием биомолекул и, в частности, к развитию процессов поражения ДНК (мутагенезу).

Фотоны излучений типа СВЧ не имеют достаточно энергии для ионизации или возбуждения атомов, но обладают значительной проникающей способностью. С энергетических позиций следовало бы отвергнуть идею о генетическом действии СВЧ-излучения, однако, данный вопрос остается открытым в связи с тем, что в последнее время развиваются идеи об участии мишеней не ДНК-овой природы в процессах мутагенеза. Механизм биологического действия до конца не ясен, но, во всяком случае, СВЧ-излучения могут изменять

64

чувствительность мембранных рецепторов к регулирую-

щим воздействиям. Возможны и другие механизмы. Природными источниками радиации являются косми-

ческие лучи и радиоактивные изотопы. Исторически первым примером техногенного источника является рентгеновская трубка – в процессе торможения заряженных частиц (электронов) металлической мишенью образуются фотоны, которые занимают спектральную область между -излучением и ультрафиолетовыми лучами. Рентгеновские лучи возникают также и при делении ядер элементов. В целом понятие радиация шире, чем радиоактивность.

Радиоактивность (от латинского radius – луч и activus

– действенный) – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц и электромагнитных квантов.

Деление ядер радиоактивных изотопов (или радиоактивный распад) – это последовательность α- и β- превращений. При α-распаде ядро испускает -частицу, а элемент смещается в периодической системе на 2 клетки влево; при β-распаде - на одну клетку вправо. В результате последовательных превращений образуется семейство радиоизотопов, представленное в природных источниках. Источники, не находящиеся в герметической упаковке и называемые открытыми источниками, наиболее опасны – они могут попадать внутрь организма человека и вызывать внутреннее облучение. Радиоизотопы по химическим свойствам и, следовательно, токсикокинетике (пути поступления в организм, связывание с тканями и выведение из организма) подобны стабильным элементам, однако токсикодинамика радиоизотопа определяются преимущественно его ионизирующим воздействием на клетки тканей.

Воздействие радиации

В зависимости от уровня организации и структуры вовлекаемого в изменение наследственного материала все

65

спонтанные и индуцированные генетические нарушения (мутации) можно разделить следующим образом:

1.изменения внутри отдельных генов, т.е. генные мутации в узком смысле этого слова, "точковые" мутации.

2.хромосомные мутации (перестройки, аберрации) - изменения в числе и структуре хромосом. Последние (структурные) связаны непосредственно с поражением ДНК, несущей наследственную информацию, а изменения в числе хромосом возникают в результате повреждения полностью или частично аппарата распределения хромосом по дочерним ядрам

при делении клеток.

Изменения в генетическом аппарате могут вести как к летальным эффектам (гибель соматических и зародышевых клеток и эмбрионов), так и к наследуемой "трансформации" клеток и/или всего организма (канцерогенез, наследственные болезни). «Уязвимость» клеток меняется со временем и максимальна во время клеточного деления, так как выше вероятность мутаций. Поэтому при равных воздействиях последствия будут тяжелее для тканей с высокой скоростью деления клеток.

Роль биологического времени и мутации в соматических и в половых клетках имеют разное значение. В первом случае наследование мутаций и проявление происходит в

пределах одного данного облученного организма, а во втором они проявляются в последующих поколениях или отражаются на рождаемости, т.е. дают генетические эффекты в узком смысле этого слова.

Экспериментальные исследования (выполненные в основном на мышах) позволили сформулировать некоторые положения классической радиационной генетики по отношению к млекопитающим.

1.Радиационное воздействие не приводит к появлению каких-либо новых биологических феноменов, которые не возникали бы спонтанно, происходит лишь увеличение вероятности их возникновения.

66

2.Для индукции мутаций в какой-либо определенной соматической или половой клетке, она должна подвергнуться прямому воздействию радиации, является хорошим приближением к реальной ситуации. Именно поэтому сильное поглощение некоторых видов излучений (альфа- и бета-частиц, УФ-лучей, очень низкоэнергетических рентгеновских лучей) поверхностными тканями (эпидермисом кожи, тканями глаза) предотвращает их опасное воздействие на половые или, например, кроветворные клетки организма. Однако они мо-

гут продуцировать соматические мутации в клетках кожи

иглаз.

3.Характер зависимости частоты генетических повреждений в клетках от дозы определяется тем, происходит ли мутационное событие в результате однократного попадания или для этого требуется два события повреждения ДНК, причем они не обязательно должны осуществляться в результате прохождения двух отдельных частиц/фотонов, а могут индуцироваться и одной частицей/фотоном. Соответственно, в первом случае теоретически предполагается линейная за-

висимость доза-эффект: во втором — нелинейная.

Отношение приращения дозы к интервалу времени называется мощностью дозы. Линейный характер зависимости доза-эффект наблюдается, если высокие мощности радиации вызывают много актов ионизации/возбуждения в небольшом объеме, что приводит к множественному поражению генетических структур даже при прохождении через ядро единичной частицы и возникновению условий для взаимодействия первичных повреждений с их последующей фиксацией в виде определенных мутационных изменений. В случае нелинейной дозовой зависимости для появления мутации необходимо взаимодействие двух повреждений.

Кроме того, при низких мощностях доз возрастает значение процессов репарации повреждений. Эти явления приводят к возникновению эффекта мощности дозы, в со-

ответствии с которым считается, что определенная доза,

67

данная с более низкой мощностью дозы вызывает мень-

ше мутаций, чем та же доза при более высокой мощности дозы.

Риски отдаленных последствий

Учет характера дозовой зависимости и наличия эффекта мощности дозы оказывается важным при переносе данных, полученных в экспериментах на реальные ситуации облу-

чения человеческих популяций. Наибольшим признанием у специалистов в настоящее время пользуется гипотеза о беспороговом характере индукции генетических повреждений, по крайней мере, ионизирующей радиацией.

Благодаря процессам репарации радиационных повреждений происходит «взаимодействие» биообъекта и излучения, а задача описания дозовой зависимости требует изучения как характеристик непосредственно излучения, так и облучаемого биообъекта. В отличие от порогового детерминированного эффекта тяжесть которого зависит от дозы, эффект отдаленных последствий является стохастическим (вероятностным). Вероятность того, что у каждого из облученных будет в течение года обнаружен эффект отдаленных послед-

ствий, называется радиационным риском.

Значения радиационного риска сопоставляют с рисками, которые характеризуют степень опасности окружающей среды, т.е. ее экологическое качество. Кроме того, становится возможной стоимостная оценка ущерба и сопоставление его с выгодой, получаемой от применения ионизирующих излучений. Применение концепции «ущерб — выгода» позволяет провести оптимизацию радиационной защиты от наруж-

ного или внутреннего облучения.

Для получения статистически достоверной информации о случаях возникновения радиационно индуцированного рака или генетических аномалий при облучении малыми дозами необходим труднодостижимый уровень медицинского контроля населения. Международной комиссией по радиологической защите и Научным комитетом по действию атомной

68

радиации ООН (НКДАР ООН) принята концепция о линейной зависимости риска (индивидуальную вероятность смерти в результате отдаленных последствий облучения), от дозы в области малых доз, а также об отсутствии порога для этой зависимости.

Рекомендуется принимать комплекс мер для снижения реального риска до как можно более низких значений, которые достижимы с учетом экономических и социальных факторов. Например, расходы на снижение реального риска нa предприятиях атомной энергетики США соответствуют 1000 долларов на 1 бэр. Если расходы на снижение индивидуальной дозы облучения превосходят этот порог, то от соответствующих мероприятий отказываются, считая их неразумными. Область безусловно приемлемого риска расположена при значениях R, не превосходящих 1·10-6 год-1. Такие ситуации

не воспринимаются человеком как потенциально опасные.

Аналогичный подход принят в НРБ-99.

Основные понятия дозиметрии

Мерой количества радиоактивного вещества является его активность, которая измеряется числом спонтанных ядерных превращений за единицу времени. Единицами активности является беккерель (Бк), кюри (Ки) и мг-экв Ra. Активность, соответствующая 1 Бк, - один распад в секунду. 1 Ки - 3,7*1010 распадов в секунду. 1 мг-экв Ra равен 1 мКи.

Радиоизотопы элемента различают и обозначают числом, соответствующим атомной массе, слева сверху от символа элемента. Скорость распада изотопа характеризуют величиной, называемой периодом полураспада Т1/2. Период полураспада Т1/2. – это время, в течение которого из имеющегося количества радиоактивных ядер распадается половина.

Так, для изотопа урана U-238 Т1/2 =4,5*109 лет, для радия Ra226 Т1/2 =1590 лет, для радона Rn-222 Т1/2 = 3,8 суток, а для курчатовия Ku-261 Т1/2 = 0,3 сек. Таким образом , если име-

69

ется 1г радия Ra-226, то через 1590 лет останется 0,5 г , ещѐ через 1590 лет – 0,25 г.

Исторически первыми методами измерения активности и были методы основанные на ионизации воздуха или других сред. Эти методы и опирающиеся на них способы оценки воздействия применяются и в современных приборах. Для количественной оценки ионизирующего излучения используется понятие экспозиционной дозы, характеризующую степень ионизации воздуха под влиянием излучения.

Взаимодействуя с веществом, частица теряет свою энергию, причем плотность ионизации резко возрастает к концу пробега. Для тяжелых заряженных частиц существует однозначная связь между энергией частицы и ее пробегом. Основной энергетической единицей является электронвольт (эВ), равный кинетической энергии электрона, прошедшего разность потенциалов 1 В. Высокими считаются энергии порядка 1 МэВ (106 эВ). Характерные значения энергии - частиц находятся в диапазоне значений до 10 МэВ. Величина пробега таких частиц в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 100 мкм. Скорость электронов, образующихся в результате -распада существенно выше, чем более тяжелых заряженных частиц с одинаковой кинетической энергией, т.к. последняя пропорциональна массе (отношение масс покоя протона и электрона равно 1836). Поэтому плотность ионизации, создаваемой -частицами, намного меньше, чем для других заряженных частиц, а пробег — больше. Пробег электронов, имеющих энергию 5,0 МэВ достигает 20 м в воздухе и 2,5 см в воде.

Гамма излучение имеют более высокую проникающую способность. Возможны следующие виды взаимодействия - квантов с веществом: поглощение связанными в атоме электронами (фотоэффект), рассеяние электронами (эффект Комптона), а также поглощение в кулоновском поле ядра с образованием пары электрон-позитрон. Воздух смесь газов

70

(преимущественно азота N2 и кислорода 02) с малыми атомными номерами, и поэтому в широком диапазоне значений E , (20 кэВ 23 МэВ) доминирующим эффектом взаимодействия является эффект Комптона. Поскольку электронам азота и кислорода при рассеянии на них фотонов передается энергия, намного превосходящая их энергии связи, эти электроны считаются свободными. Для -излучения, испускаемого радионуклидом Со-60 (Е = 1,33 МэВ), максимальная энергия, передаваемая комптоновским электронам, равна 0,9 МэВ. Именно эти электроны ионизируют молекулы азота и кислорода и имеют максимальный пробег, равный 3,4 м. По-

этому -излучение называется косвенно ионизирующим.

Экспозиционная доза X является ионизационным эквивалентом энергии, переданной -квантами массе m сухого воздуха, находящегося при нормальных физических условиях (273 К; 0,1 МПа ). Средняя энергия электрона ε, необходимая для создания одной пары ионов в воздухе, равна 33,85 эВ. Число пар ионов (положительных и отрицательных зарядов), созданных на длине пробега, определяется отношением начальной энергии комптоновского электрона к значению ε и для данного случая составляет 2,6·104. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является Кл/кг. Более употребительной единицей является 1 рентген (сокращенно 1 Р). При ее определении используется физическая система единиц. В соответствии с этой системой областью передачи энергии - излучения является объем воздуха, равный 1 cм3, а заряд электрона измеряется в электростатических единицах (е = 4,8·10-10 эл.ст.ед. заряда). Единице экспозиционной дозы 1 Р соответствует образование за пределами рассматриваемого объема одной электростатической единицы заряда в резуль-

тате полного торможения комптоновских электронов, об-

разующихся в этом объеме и вылетающих из него. Используя соотношение между единицами заряда в этих

системах (1 Кл = 3·109 эл.ст.ед.), а также плотность воздуха

71