Радиобиология с основами радиоэкологии

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 391

определяться количеством либо соотношением между активаторами и ингибиторами. Фитогормоны – ингибиторы роста растений, абсцизовая кислота и этилен, которые, как упоминалось в предыдущем разделе, при использовании перед облучением оказываются эффективными радиопротекторами, при применении в пострадиационный период могут приобретать функции радиосенсибилизаторов.

13.3.Задачи противорадиационной биологической защиты

ирадиосенсибилизации

Необходимость разработки противорадиационной защиты человека для всех совершенно очевидна. Можно обосновать необходимость такой защиты некоторых видов животных – ценных пород, продуктивных сельскохозяйственных животных. Но зачем разрабатывать приемы и способы защиты растений, большинство видов которых обладает более высокой, порой в десятки раз, радиоустойчивостью, чем человек? Казалось бы, что если в этом и возникнет надобность в какой-либо чрезвычайной ситуации, осуществлять такую защиту будет уже некому и не для кого. Так ли это? А зачем повышать радиочувствительность организмов? Неужели возникают ситуации, когда это необходимо делать?

Проблема защиты организма, в том числе и растительного, от радиационного поражения тесно связана с изучением общебиологических механизмов его устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов. Это обусловлено тем, что в процессе эволюции видов возникли разнообразные системы клетки и организма в целом, обеспечивающие их надежность. Противорадиационная защита, несомненно, является результатом реализации этих свойств. Поэтому в самом широком понимании

противорадиационная биологическая защита организма пред­ ставляет собой разработку и применение средств и приемов, направленных на реализацию существующих приспособлений организма и позволяющих ему переносить воздействие экстре­ мальных факторов самой различной природы, в том числе и действие ионизирующей радиации. Для решения этой проблемы используются самые разнообразные объекты, среди которых как очень удобные выделяются растения. Именно на них можно осуществлять противорадиационный мониторинг различных веществ и факторов, изучать механизмы действия отдельных радиопротекторов, механизмы защиты, что неоднократно было доказано.

Исследования защиты растений от радиационного поражения важны для решения прикладных вопросов, разработка которых позволит найти новые пути использования ионизирующих излучений в биологии, сельском хозяйстве. Например, при

392 Радиобиология с основами радиоэкологии

выведении высокопродуктивных сортов с помощью радиационного мутагенеза селекционный процесс в значительной степени может осложняться за счет угнетения репродуктивной функции облученных растений. В данной ситуации большой интерес представляют такие способы противорадиационной защиты, при которых повышается выживаемость растений, но сохраняется неизменным уровень полученных генетических изменений.

Решение проблемы защиты растений от радиационного поражения позволит шире использовать ионизирующие излучения в плодоводстве для преодоления несовместимости тканей прививочных компонентов, нескрещиваемости при отдаленной гибридизации, а также для целенаправленного изменения хода онтогенеза растений.

Наконец, несмотря на несколько пессимистическое заключение о необходимости защиты растений от ионизирующей радиации, сделанное в начале данного раздела, можно допустить ситуацию повышения радиационной нагрузки на некоторые высокорадиочувствительные виды растений фитоценоза, например, семейства сосновых. Угнетение отдельных видов может изменять структуру растительных сообществ за счет преимущественного развития других, более радиоустойчивых видов. Поэтому постановка проблемы защиты фитоценоза от радиационного поражения не кажется такой необоснованной и беспочвенной. Самые реальные способы их защиты в условиях разового острого облучения либо произрастания при повышенных уровнях радиации состоят в формировании окультуренных растительных сообществ, устойчивых к определенным уровням облучения, либо в создании благоприятных в экологическом отношении условий для поддержания наиболее радио­ чувствительных видов, либо в использовании химических радиозащитных средств (элементы питания, фитогормоны, метаболиты).

Радиосенсибилизаторы по совершенно понятным причинам находят более узкое практическое применение. Их используют в тех довольно редких случаях, когда возникает необходимость в усилении действия ионизирующих излучений. Важнейшей сферой применения радиосенсибилизаторов в медицине является радиационная терапия опухолей, когда с целью уменьшения радиационной нагрузки на здоровые ткани они вводятся локально непосредственно в зону облучения. Наиболее широко применяются вещества, действующие на основе кислородного эффекта, которые избирательно сенсибилизируют клетки опухолей, находящиеся, как правило, в гипоксических условиях – мизанидазол, метронидазол и др.

Разработка способов радиосенсибилизации очень важна для многих радиационно-биологических технологий, требу-

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 393

ющих высоких доз облучения, например, при радиационной стерилизации инструментария в медицине, консервации продукции растениеводства и животноводства, радиационной обработке кормов некоторых видов для увеличения питательной ценности и др. Использование радиосенсибилизирующих факторов (высоких температур, кислорода, некоторых малотоксичных химических веществ) за счет снижения дозы позволит сократить время облучения, а в отдельных случаях – и затраты энергии.

Перспективно использование радиосенсибилизаторов и в радиационном мутагенезе растений.

Контрольные вопросы к главе 13

1.Суть противорадиационной биологической защиты растений.

2.Определение понятия радиосенсибилизации.

3.Физические радиозащитные и радиосенсибилизирующие факторы.

4.Кислородный эффект.

5.Коэффициент кислородного усиления (ККУ).

6.Фактор изменения дозы (ФИД).

7.Химические радиозащитные вещества.

8.Определение понятия радиопротекторов.

9.Классификация радиопротекторов.

10.Основные требования к радиозащитным веществам, в том числе к радиопротекторам.

11.Сравнительная эффективность основных классов радиопротекторов.

12.Химические радиосенсибилизирующие вещества.

13.Возможные пути использования радиозащитных и радиосенсибилизирующих факторов.

дов, способа использования урожая и многих других применяются различные приемы, которые обеспечивают уменьшение содержания радиоактивных веществ в продукции растениеводства во много раз. Следует подчеркнуть, что за немногим исключением все эти приемы не влияют на общее содержание в почве радиоактивных веществ, не уменьшают их количества – они лишь переводят их в место, форму, состояние, труднодоступное для растений, либо снижают скорость самого процесса перехода и количественные объемы перехода в растения.

14.1.1. Обработка почвы

При выпадении радиоактивных осадков на почву и сравнительно невысоких уровнях загрязнения одним из первых защитных мероприятий, проводимых сразу же после выпадений, может быть поверхностная обработка почвы специальными фрезерными машинами или дисковыми орудиями на глубину до 10 см, а также обычная перепашка отвальными плугами на глубину до 20–25 см, перемешивающими верхний загрязненный слой почвы с более глубокими. Этот прием приводит, как правило, к резкому снижению радиационного фона, уменьшению распространения радиоактивной пыли и загрязнения компонентов биосферы – растений, животных, человека аэральным путем, снижению смыва радионуклидов дождевыми водами с площадей водосборов в пониженные места, водоемы.

При более высоких уровнях загрязнения на окультуренных почвах, где радиоактивные вещества накапливаются преимущественно в пахотном горизонте, очень эффективным приемом является их глубокая заделка. Вспашка специальным плантажным плугом позволяет переместить верхний слой почвы на глубину 40–60 см, т.е. за пределы обитания основной массы корней. Это позволяет снизить накопление растениями радионуклидов в 5–10 раз.

Безусловно, в данном случае возникают опасения в связи с возможным ухудшением в результате такой перепашки поч­ венного плодородия, в особенности бедных, например подзолистых, дерново-подзолистых почв, составляющих основной поч­ венный массив загрязненной в результате аварии на Чернобыльской АЭС зоны Полесья. Действительно, подобная обработка с глубоким захоронением загрязненного горизонта, вызывая перемещение на глубину плодородного слоя, на слабоокультуренных маломощных почвах приводит к практически полному уничтожению естественного плодородия. Однако при достаточном внесении органических и минеральных удобрений, компенсирующем плодородие запаханного горизонта, продуктивность сельскохозяйственных растений может и не снижаться.

Глубокая заделка радиоактивных продуктов деления – прием трудоемкий, очень энергоемкий и в целом дорогостоя-

щий. Поэтому он применяется только в крайних случаях и, как правило, на небольших площадях. К их числу следует отнести, в первую очередь, очень высокую степень радиоактивного загрязнения почвы на относительно большую глубину, необходимость срочного снижения радиационного фона на отдельных участках – запашка радиоактивных осадков на глубину 40–50 см обеспечивает снижение уровня внешнего излучения в 10 раз и более.

Ввиду того, что в первые недели и даже месяцы в условиях сухой погоды выпавшие радиоактивные осадки могут занимать лишь самый поверхностный слой почвы толщиной не более нескольких сантиметров, рекомендуется его удалить. Для этой цели используют как обычную дорожно-уборочную, дорожностроительную, так и специально сконструированную технику. Защитная эффективность такого приема необычайно велика. После аварии на Чернобыльской АЭС в условиях украинского Полесья на торфяных почвах было показано, что снятие на пастбищах верхнего пятисантиметрового слоя дернины в 10– 20 раз уменьшает радионуклидное загрязнение сена и, соответственно, продукции животноводства, в первую очередь молока.

Но удаление верхнего слоя почвы даже на глубину всего 5 см дает до 500 м3 почвы с одного гектара. Кроме того, даже с помощью специальных машин невозможно на рыхлых пахотных землях убрать слой почвы с такой точностью, поэтому объем удаляемой земли возрастает в два-три раза. Такое большое количество грунта трудно убирать, но еще труднее обеспечить его захоронение в соответствии с требованиями санитарных правил.

При очень высоких уровнях загрязнения рекомендуется глубокая засыпка верхнего радиоактивного слоя достаточно толстым (50–100 см) слоем почвы. Безусловно, такой прием трудно осуществить на огромных территориях, и он может иметь лишь локальное применение. Подобным способом были укрыты особо загрязненные естественными радионуклидами участки территорий заводов по добыче радия в Республике Коми, 600 га «рыжего леса» вокруг Чернобыльской АЭС. Но радикально данный прием проблемы радионуклидного загрязнения растений, как и биосферы в целом, не решает. Он лишь отодвигает ее во времени, поскольку засыпанные участки становятся опасным долгосрочным источником загрязнения не только поч­ венного покрова и растений, но и почвенных вод.

Способом прямого снижения поступления радиоактивных веществ в растения, как, впрочем, и в другие организмы, является опрыскивание почв растворами специальных химических соединений, которые образуют на них трудно растворимые в воде полимерные пленки. Они, уменьшая главным образом вторичный пылевой перенос радиоактивных веществ, снижают аэральное поступление радионуклидов.

Описанные приемы обработки почвы за исключением, может быть, глубокой заделки, эффективны лишь в первые периоды после выпадения радиоактивных осадков на ее поверхность. В последующем, когда в их кругооборот включаются процессы вертикальной и горизонтальной миграции, а тем более начинаются обычные сельскохозяйственные работы, связанные с обработкой земли, их применение теряет смысл.

14.1.2. Применение химических мелиорантов и удобрений

Роль химических мелиорантов как веществ, улучшающих природные свойства земель и повышающих их плодородие, минеральных и органических удобрений – поставщиков основных элементов питания растений, в условиях радиоактивного загрязнения не изменяется, но они могут приобретать новые функции, связанные с их физико-химическими свойствами. И мелиоранты, и удобрения могут стимулировать поглощение растениями радиоактивных веществ. Но при умелом их применении в определенных условиях, формах, количествах, сочетаниях можно во много раз снизить поступление радионуклидов.

Химические мелиоранты. Нередко, как это было при аварии на Чернобыльской АЭС, радиоактивные вещества поступают в окружающую среду в виде трудно растворимых аэрозольных частиц. Однако постепенно при контакте с кислородом воздуха, водой они переходят в растворимые формы. Особенно этому способствует кислая реакция среды, и из кислых почв радионуклиды поступают в растения в больших количествах, чем из слабокислых и нейтральных. В связи с этим широко используемый в практике агропромышленного производства прием известкования кислых почв с целью их нейтрализации оказывается не только благоприятным в создании лучших условий роста и развития растений, но и способствует снижению поступления радиоактивных веществ из почвы в растения. Впрочем, нейтрализация тормозит поступление в растения и многих других нерадиоактивных веществ, в том числе и необходимых растениям элементов питания.

Для уменьшения накопления радионуклидов растениями вносят в почву не только известь, но и другие известковые материалы природного и промышленного происхождения: различные известняки, доломит, мергель, сланцевую и торфяную золу, отходы целлюлозно-бумажных и металлургических комбинатов, сахарных заводов.

Главным компонентом известковых материалов является кальций – химический аналог и конкурент стронция – в виде оксида, гидроксида, углекислой соли. Повышение его количества в почве приводит к уменьшению стронциевого коэффициента (отношения содержания стронция к содержанию кальция), благодаря чему снижается поступление в растения стронция, в

том числе и 90Sr. При этом может снижаться поступление в растения и других элементов второй группы, среди которых находятся биологически значимые цинк и магний.

В целом, известкование кислых загрязненных радиоактивными веществами почв является одним из основных приемов защиты растений от накопления радионуклидов. В зависимости от характера радионуклидного загрязнения, типа почвы, биологических особенностей растений он позволяет совершенно гарантированно снизить их содержание в продукции растениеводства в 2–4 раза. Известны данные о снижении содержания 90Sr в сене бобовых растений в 6–8 раз, клубнях картофеля и корнеплодах в 10 раз.

Разумеется, внесение известковых материалов возможно лишь на кислых почвах. Что касается щелочных почв, то их обогащение кальцием проводится за счет гипсования – внесения гипса, основу которого составляет сернокислая соль кальция. На нейтральных почвах можно вносить сбалансированные количества известковых материалов и гипса.

Минеральные удобрения. Как отмечалось в главе 3, поступление в растения одного из главных долгоживущих искусственных радиоактивных загрязнителей окружающей среды 137Сs в значительной степени определяется содержанием в поч­ ве и самих растениях его химического аналога калия – одного из основных биогенных элементов. С повышением количества дополнительно вносимого в почву с калийными удобрениями калия в зависимости от его начального содержания в ней накопление данного радионуклида в урожае можно снизить в 2–6 раз и более (рис. 14.1). Обычно это объясняется антагонизмом ионов калия и цезия, поступающих в растение, как на первой фазе – сорбции на поверхности корневой системы, так и в те-

чение последующих путей их транспорта по растению и включения в клетки различных тканей и органов. Применение калийных удобрений, повышающих количество в почве подвиж-

Рис. 14.1. Зависимость уровня загрязнения урожая от дозы калийных удобрений и начального содержания обменного калия в почве: 1 – начальное содержание калия 10, 2 – 20, 3 – 40, 4 – 100 и 5 – 200 мг/кг почвы (П.Г. Бондарь, 1993).

ных усваиваемых форм калия, также является одним из основных способов их защиты от радионуклидного загрязнения.

Примечательно то, что кислые почвы могут быть нейтрализованы не только известковыми материалами, в состав которых входит углекислый кальций, но и другими углекислыми солями, в частности, углекислым калием. Внесение последнего в кислые почвы наряду со снижением поступления 137Сs уменьшает накопление растениями 90Sr примерно в такой же степени, как и известь.

Соли фосфорных кислот способны образовывать со стронцием нерастворимые соединения. Поэтому внесение в почву фосфорных удобрений, снижающих переход 90Sr из почвы в растения, тоже рассматривается как один из приемов защиты.

Логично предположить, что из фосфорных удобрений наиболее эффективными в отношении подавления поступления в растения радионуклидов должны оказаться формы, содержащие фосфаты калия и кальция. Действительно, имеются данные о том, что при внесении в почву двух- и трехзамещенных фосфатов калия в несколько раз снижается поступление в растения не только 90Sr, но и 137Сs.

Если в отношении применения на загрязненных радионуклидами почвах двух из трех основных поставщиков элементов минерального питания растений – калийных и фосфорных удобрений – противоречий практически нет, то использование третьего – азотных удобрений – таковые вызывает. Общеизвестно, что азотные удобрения могут ускорять переход всех радионуклидов в растения. Основной причиной увеличения поступления радионуклидов в растения под влиянием азотных удобрений принято считать подкисление почвенного раствора

ивозрастание подвижности радионуклидов при использовании традиционной для стран СНГ и большинства стран Европы аммиачной селитры – физиологически кислой формы азотных удобрений, а также карбамида, приобретающего в почве после некоторых превращений кислотные свойства. Многочисленные факты усиления поступления радионуклидов при использовании физиологически кислых форм азотных удобрений

иотсутствие усиления при применении физиологически щелочных или нейтральных форм, казалось бы, однозначно свидетельствуют в пользу этого предположения. Однако экспериментально обнаружить заметный сдвиг реакции почвенного раствора в сторону подкисления при внесении даже очень высоких количеств аммиачной селитры не удается.

Нередко отмечается и уменьшение накопления радионуклидов растениями при внесении азотных удобрений. Оно обычно приписывается своеобразному «разбавлению» при активном нарастании биомассы и снижению удельной радиоактивности, т.е. относительного количества радионуклида на еди-

ницу массы растения или органа. Но определенное значение в этом процессе придается возможным антагонистическим взаимодействиям между ионами NН4+, с одной стороны, и К+ и Сs+ – с другой.

Таким образом, влияние азотных удобрений на накопление радионуклидов растениями неоднозначно. Именно потому радиозащитные мероприятия, направленные на уменьшение поступления радионуклидов в продукцию растениеводства, предусматривают в обязательном порядке увеличение в 1.5–2.0 раза доз фосфорных и калийных удобрений и предостерегают от повышения доз азотных удобрений.

К настоящему времени очень слабо изучено влияние мик­ роудобрений, содержащих биологически важные микроэлементы, на накопление растениями радиоактивных веществ. Многогранная роль, которую играют в жизни растений такие из них, как цинк, железо, марганец, кобальт, бор, молибден, медь, литий, позволяет предполагать множество различных механизмов их влияния на поступление и транспорт в растения отдельных радионуклидов. Они могут влиять на проницаемость клеточных мембран для радионуклидов с определенными ионными радиусами, зарядом, геометрией координационной и электронной конфигураций, могут активизировать или, наоборот, подавлять системы транспорта отдельных радионуклидов, образовывать с ними растворимые и нерастворимые комплексы. Некоторые из микроэлементов, будучи химическими аналогами радионуклидов, могут вступать с ними в антагонистические отношения, блокируя переход в растения. Другие, напротив, проявляя синергизм с отдельными макроэлементами, могут стимулировать их поступление в растения, тем самым создавая конкуренцию по отношению к радионуклидам. Особенно ярко все эти эффекты могут проявляться при использовании микро­ удобрений в условиях естественного дефицита микроэлементов. Именно таковые сложились в Полесье в зоне радиационного влияния Чернобыльской АЭС.

Органические удобрения. К органическим удобрениям относятся навоз, перегной, компост, торф, птичий помет, сапропель (органические отложения на дне водоемов), многие другие отходы агропромышленного производства, органические отходы некоторых направлений промышленности, в частности, пищевой, целлюлозно-бумажной, продукты жизнедеятельности биоты. Кроме большого количества органических веществ эти виды удобрений содержат, как правило, и необходимые для растений элементы минерального питания. Поэтому внесение в почву­ органических удобрений, обогащая емкость ее поглощающего комплекса, увеличивая содержание фосфора, калия, микроэлементов, а многие из них, как, например, птичий помет, и кальция, может существенно снижать поступление в растения радионуклидов.