3. Радіонуклідне забруднення водних екосистем та його дія на гідробіонтів

Серед фізичних факторів, що впливають на життєдіяльність організмів у водних екосистемах, особливо важливу роль відіграють іонізуючі випромінювання. Це - випромінювання, взаємодія яких з речовиною призводить до іонізації її атомів та молекул, тобто перетворення їх з електрично нейтральних частинок в позитивно або негативно заряджені іони. До іонізуючих випромінювань належать заряджені частинки (альфа- частинки, електрони, позитрони, протони та інші), нейтральні частинки, а також електромагнітні випромінювання високих енергій, які іонізують атоми і молекули речовини. Одиницею радіоактивності є Бекерель (Бк):

1 Бк = 1 розпад/с.

Для вимірів радіоактивності інколи використовують одиницю Кюрі (Кі), що відповідає радіоактивності 1г ²²⁶Rа:

1 Кі = 3,7 * 10¹⁰ розпадів/с.

Кількість енергії, поглинута одиницею маси опроміненої речовини, прийнято називати поглинутою дозою. Одиницею поглинутої дози є Грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг.

Час, протягом якого радіоактивна речовина розпадається наполовину, називається періодом піврозпаду (Т1/2). Величина Т 1/2 може становити від часток секунди до багатьох мільярдів років.

Природна радіоактивність водних об’єктів

Протягом всього часу еволюції біосфери на життєві процеси постійно і безперервно діють іонізуючі випромінювання. Гідробіонти також зазнають дії іонізуючих випромінювань. Основну частину опромінення вони отримують від природних джерел радіації, до яких належать космічне випромінювання і природні радіоактивні ізотопи, або радіонукліди, що містяться в земній корі, атмосфері, гідросфері та біоті.

Внаслідок природних процесів вилуговування, вивітрювання та ерозії гірських порід, а також діяльності людини, у біосфері відбувається безперервна міграція природних радіонуклідів. Видобуток і переробка десятків мільярдів тон різних гірських порід призводить до викиду у біосферу практично всіх відомих природних радіонуклідів. Найвищі рівні радіоактивності у компонентах біосфери відзначаються в районах розташування уранових підприємств і родовищ радіоактивних руд - так званих уранових і торієвих провінцій. Істотним джерелом надходження у біосферу природних радіонуклідів є природне органічне паливо, що використовується транспортом, енергетичними установками і тепловими електростанціями. Використання мінеральних добрив у сільському господарстві супроводжується накопиченням природних радіонуклідів в орних грунтах, рослинах і водоймах.

У природі виявлено близько 300 природних радіонуклідів. Найбільш поширені в земній корі та гідросфері ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, деякі елементи рядів урану (U) і торію (Тh), які формують основну частку природної радіоактивності. Внаслідок послідовних радіоактивних розпадів уран і торій перетворюються у стабільний свинець.

Висока міграційна здатність радію та радону створює навколо уранових родовищ ареали підвищеної радіоактивності, так звані радіоактивні аномалії, у яких вміст радіонуклідів у порівнянні з іншими територіями у сотні і тисячі разів більший. У мікрокількостях радій міститься у природних водах повсюдно.

Радіоактивні води, що відзначаються високим вмістом природних радіоактивних елементів радію nа радону (радієві, радонові та ін.), знайшли широке лікувальне застосування в бальнеологічній практиці.

Продуктами розпаду ²²²Ru є особливо токсичні радіонукліди: свинець - ²¹⁰Рb та полоній - ²¹⁰Ро, які виділяються при спалюванні вугілля та нафтопродуктів, з вихлопними газами розсіюються в атмосфері, а потім з опадами частково повертаються на землю, у водні об’єкти. ²¹⁰Ро в істотних кількостях зустрічається в районах уранових родовищ, у приземному повітрі уранових рудників, у воді нафтових скважин та вугіллі.

Як зазначалось раніше, природна радіоактивність річкових, озерних та інших вод в основному, визначається ⁴⁰К. Концентрація радіонуклідів у річковій воді залежить від кліматичних умов, гідрохімічного складу води, типу гірських порід, через які протікають ріки. Наприклад, води рік на Півночі Росії містять уран в кількості ( 0,02-0,2)*10^-6 г/дм³ (4,93*10^-4 Бк/дм³), тоді як ріки Середньої Азії - до 50*10^-6 г/дм³ (1,23 Бк/дм³). Найвища радіоактивність у водах уранових і торієвих родовищ, а також мінеральних джерел. Вміст природних радіонуклідів у таких водах досягає: урану - 120-10^-6 г/дм³ (2,96 Бк/дм³), торію – 50*10^-6 г/дм³ (0,40 Бк/дм³), радію - 25,9*10³ Бк/дм³, радону - 9,62 Бк/дм³.

Високі концентрації природних радіонуклідів характерні також для грунтових вод. У гірських породах вода збагачується мінеральними речовинами та радіонуклідами.

Отже, природна радіоактивність вод перебуває у прямій залежності від їхньої мінералізації та радіоактивності порід, які вони омивають.

Забруднення водних об’єктів штучними радіонуклідами

Починаючи з 40-х років XX століття, внаслідок випробування і застосування у військових цілях ядерної зброї, розвитку атомної енергетики, широкого використання джерел іонізуючого випромінювання у медицині, техніці та інших сферах діяльності людини почало прогресувати забруднення довкілля, в тому числі гідросфери, штучними радіонуклідами.

За станом на кінець 2000 р. в Україні експлуатувалися п’ять атомних електростанцій. Атомні електростанції використовують як джерела водопостачання: Запорізька — Каховське водосховище, Рівненська - р. Стир (притока р. Прип’яті), Хмельницька - р. Горинь (притока р. Прип’яті), Чорнобильська (зупинена в 2000 р.) - р. Прип’ять, Південно-Українська - р. Південний Буг. У басейні р. Десни на території Росії працюють Курська і

Смоленська АЕС. Курська розміщена на притоці Десни р. Сейм. Водозабезпечення Смоленської АЕС здійснюється з водосховища, побудованого шляхом перекриття верхньої частини русла р. Десни дамбою. Розвинута атомна енергетика і в країнах басейну р.Дунай: у Болгарії, Угорщині, ФРН, що загострює радіоекологічні проблеми нижньої ділянки цієї ріки в межах України. У складі викидів та скидів АЕС містяться продукти поділу ядерного палива. До їх числа входять інертні радіоактивні гази (ізотопи криптону, ксенону та ін.), ³Н, ¹⁴С, ⁹⁰Sr, ¹³¹І, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Сs та ін. У складі забруднень значну питому вагу становлять продукти корозії матеріалів активної зони реактора: ⁵¹Сr, ⁵⁴Мn, ⁵⁵Fe, ⁶⁵Zn та ін.

Дія радіонуклідного забруднення на гідробіонтів

Природні та штучні радіонукліди, що містяться у водних екосистемах, генерують іонізуюче випромінювання. Дія іонізуючого випромінювання на речовини та організми призводить до іонізації - відриву електронів від атомів. Виникнення іонів атомів і молекул супроводжується індукцією хімічних та біологічних реакцій у клітинах, тканинах і органах гідробіонтів. Іонізуючі випромінювання здатні розривати будь-які хімічні зв’язки та індукувати повільні хімічні реакції з великими іонними виходами. При цьому в процеси розвитку радіаційного ураження залучається величезна кількість макромолекул які безпосередньо не зачеплені опроміненням. Це значно посилює біологічну дію опромінення і підвищує загальний рівень якісних і кількісних руйнувань в клітинах і організмах.

Відсутність або принаймні недостатність процесів, відповідальних за відновлення пошкоджених структур, призводить до виникнення різних за глибиною, масштабами і накопиченням у часі пошкоджень біологічних структур на різних рівнях організації. Променеве ураження гідробіонтів здійснюється у кілька умовних етапів і тісно пов’язане з рівнями біологічної організації.

1. рівень - атомно-молекулярний: відбуваються надзвичайно швидкоплинні (від 10^-16 до 1 секунди) фізичні процеси поглинання енергії елементарними структурами (хромосоми, мембрани та ін.) і молекулами клітин, що супроводжується утворенням збуджених, іонізованих молекул і вільних радикалів.

2. рівень - радіаційно-хімічних процесів (секунди-хвилинй): відбуваються радикальні реакції, ланцюгові процеси, пряма і непряма дія радіації та первинна зміна надмолекулярних клітинних структур.

3. рівень - біохімічної клітинної організації (хвилини-години): змінюється енергетика, опосередковано діє радіація на ДНК і порушується координація дії ферментних систем.

4. рівень - цілісних організмів (години-місяці): прояви аномалій в рості та розвитку, морфологічні зміни окремих органів і організму в цілому, порушення різних фізіологічних та біохімічних реакцій, генетичні порушення, скорочення життя, загибель.

5. рівень - популяцій (місяці-десятиліття): порушення структурно- функціональних і фенотипічних показників популяцій.

6. рівень - ценозів (роки-століття): порушення трофічних взаємовідносин, посилення селективних процесів, зниження видового різноманіття і дестабілізація популяційно-генетичної структури гідробіоценозів.

Під дією іонізуючого випромінювання у гідробіонтів виникають радіаційна стимуляція, порушення різних фізіологічних і біохімічних реакцій, найрізноманітніші аномалії росту та розвитку, морфологічні зміни окремих органів і організму в цілому, спадкові зміни, скорочення тривалості життя і, нарешті, загибель. Зміни в біосистемах під впливом іонізуючого випромінювання отримали назву радіобіологічних ефектів.

Таким чином, радіонуклідне забруднення водойм супроводжується як прямим ураженням біосистем внаслідок дії іонізуючого випромінювання, так і опосередковано - через порушення збалансованих структурно-метаболічних зв’язків у гідробіоценозах. Якщо ураження гідробіонтів на атомно-молекулярному рівні проявляються протягом часток секунди, то на рівні популяцій - через роки - століття. Можливість проявлення віддалених у часі наслідків зобов’язує сучасне суспільство відноситись з великою відповідальністю до проблем охорони гідросфери Землі від радіонуклідного забруднення. При цьому необхідно мати на увазі, що за умов складного поєднання діючих природних та антропогенних факторів у гідробіонтів виникають зміни різного типу - від таких, що легко відновлюються, як, наприклад, інтенсивність фотосинтезу або дихання, до глибоких і незворотніх порушень у життєдіяльності найбільш стійких популяцій гідробіонтів, вимирання окремих видів і регресії гідробіоценозів. Якісні та кількісні зміни у водному середовищі завжди випереджають адаптаційні процеси гідробіонтів, які відбуваються з деяким запізненням. Час адаптації гідробіонтів залежить від сили діючих факторів, а також від метаболічної пластичності і здатності організмів пристосовуватись до змін, що відбуваються у водному середовищі.

Короткочасна зміна інтенсивності фотосинтезу або дихання під впливом хімічного забруднення або дії температури на найбільш чутливі особини буде відповідати події першого рівня (компенсаційні зміни в метаболізмі найбільш чутливих особин). Численні фактори, зокрема специфічні токсиканти, спричиняють порівняно вузько спрямовану дію, як, наприклад, сполуки - інгібітори фотосинтезу, здатні викликати загибель фотосинтезуючих організмів. Загибель фотосинтезуючих організмів і втрата біологічної цінності водної екосистеми згідно наведеної шкали відповідають рівню події з оцінкою у десять балів, що відображає максимально можливі порушення.

3/4 всього фотосинтезу та О₂ в світі виробляють водорості.

Таким чином, біологічні системи водних об’єктів, що сформувалися в процесі багатовікової еволюції, зіткнулися з надзвичайно різноманітним антропогенним впливом, який особливо гостро проявляється у прогресуючому хімічному, тепловому та радіонуклідному забрудненні, що призводить до зниження видового різноманіття, спрощення трофічних ланцюгів і регресу гідробіоценозів.

викладач: Бобко А.О.