6 Радиационное действие на экосистемы

Радиоэкология изучает распределение и миграцию радиоактивных нуклидов в биосфере и влияние ионизирующих излучений на организмы, их популяции и сообщества - биоценозы.   Радиоэкология обычно имеет дело с весьма малыми мощностями хронического внешнего и внутреннего облучения организма. В природных условиях организмы подвергаются облучению за счёт естественного радиоактивного фона, а также за счёт радиоактивного загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Однако многие растения и животные способны накапливать в жизненно важных органах и тканях радионуклиды, что влияет на их миграцию в биосфере и приводит к значительному усилению внутреннего облучения организма.

Повышенные дозы облучения, воздействуя на генетический аппарат клеток, приводят к возрастанию темпов наследственной изменчивости. Более высокие дозы облучения понижают жизнеспособность организмов (вплоть до вымирания наиболее чувствительных к ионизирующим излучениям популяций) и тем самым вызывают изменение структуры биоценозов и обеднение межвидовых взаимоотношений в них. Выявление закономерностей, лежащих в основе этих процессов, имеет большое значение для ряда отраслей народного хозяйства.

Особый практический интерес представляют проблемы: миграция радионуклидов в пищевых цепях организмов (в т. ч. с.-х. животных и человека); обрыв или ослабление экологических связей; дезактивация с.-х. земель, водоёмов и т.п., загрязнённых радионуклидами; поиск поверхностно залегающих месторождений радиоактивных руд (по радиоактивности растений-индикаторов); выявление территорий суши и акваторий, загрязнённых искусственными радионуклидами.

Вследствие ядерных взрывов, аварий на АЭС, добывающих и перерабатывающих предприятий и других аналогичных выбросах расщепляющихся веществ, основная часть загрязнения попадает через атмосферу в почву, воду и другие элементы биогеоценозов. Изменение активности определенного нуклида происходит за счет его распада или миграции по различным звеньям экосистем. Если радионуклиды, попадающие с частицами достаточно большой массы в атмосферу, распространяются на относительно небольшие площади земной поверхности с радиусами до сотен километров, то аэрозоли и мелкодисперсные частицы, выбрасываемые в тропосферу под действием воздушных потоков вносят основной вклад в глобальное загрязнение окружающей среды. Время пребывания радионуклидов в тропосфере достигает тридцати часов, третья группа частиц, несущих радионуклиды, попадает в стратосферу, где распределяется достаточно гомогенно, частично препятствуя осаждению частиц из тропосферы. При перемешивании воздушных потоков в стратосфере радионуклиды переносятся из одного полушария в другое. Время пребывания частиц в стратосфере достигает почти двух лет.

Эти выпадения радиоактивных веществ не вызывают прямого поражения растений и животных, но представляют опасность из-за длительного радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции и хронического облучения животных. Среди искусственных радионуклидов важную роль играют достаточно долго живущие изотопы стронций-90 и цезий-137 и плутоний-239,240. Стронций-90 выпадает на поверхность земли преимущественно в водорастворимой форме, а затем, в результате процессов обменной сорбции и других реакций часть элементов захватывается анионами кристаллической решетки глинистых минералов и из ионной формы переходит в обменную форму. Обменный стронций находится в адсорбированном состоянии, легко десорбируется нейтральными солями и практически не вымывается атмосферными осадками, но легко выщелачивается нейтральными солями и кислотами, однако часть стронция может находиться в необменной форме и не выщелачиваться водой или растворами нейтральных солей.

В отличие от стронция-90, цезий-137 прочно сорбируется почвами и, несмотря на участие в реакциях ионообменного поглощения в значительной мере переходит в необменную форму, труднее десорбируется из поглощенного состояния катионами нейтральных солей и поэтому сравнительно слабо поступает из почвы в растения. В большинстве почв и глинистых материалов прочно сорбированного цезия оказывается больше, чем катионнообменного.

Малорастворимые гуминовые кислоты, гуматы кальция, железа и алюминия и гидроксиды увеличивают прочность поглощения радионуклидов почвами. С другой стороны, органические вещества увеличивают подвижность нуклидов благодаря образованию отрицательно заряженных комплексных соединений, в первую очередь, железа и алюминия с фульво- и низкомолекулярными кислотами. Вследствие крайне низких концентраций радионуклиды не способны образовывать собственных соединений и входят в соединение не только изотопных, но и неизотопных носителей и приобретают закономерности поведения неизотопных носителей. В лесной и лесостепной зонах к таким элементам относятся железо, кальций и алюминий.

Поступающие во внешнюю среду искусственные радионуклиды являются новыми ингредиентами, интенсивность их вовлечения в циклы миграции со временем снижается в результате комплекса реакций, которые в радиоэкологии принято называть “старением” радионуклидов, т.е. процессов, связанных с переходом радионуклидов в почвах в необменные и труднодоступные для растения формы. Для количественного прогноза загрязнения объектов внешней среды часто оценивают изменение интенсивности поступления радионуклидов из почвы в растения. Длительное пребывание стронция-90 в почве не снижает его доступность для растений и интенсивность дальнейшего включения в биологические цепи миграции, тогда как цезий-137 заметно стареет и становится труднодоступным для усвоения.

Несмотря на активные исследования процессов поступления и миграции радионуклидов в почвах многие задачи еще не решены, и эти вопросы остаются одними из важнейших в радиоэкологии, поскольку недостаточная их изученность не позволяет в достаточной мере прогнозировать характер и уровень загрязнения радионуклидами. Также возможен выброс в окружающую среду таких радиоактивных изотопов, для которых неизвестно поведение в сложной многофазной почвенной системе, не установлены ПДК и не изучено действие на живой организм.

В ряде работ отмечается, что накопление радионуклидов стронция и цезия зависит от агрохимических свойств почвы, наличия обменного кальция, карбонатов калия, органических веществ, показателя рН, обменных катионов, гранулометрического состава и т.п. Стронций как химический элемент подобен кальцию и распределяется более равномерно, чем цезий. Цезий близок по своим химическим свойствам к калию и потому остается преимущественно в верхних слоях, задерживаясь на глинах и органических мицеллах. Однако цезий также может интенсивно диффундировать в почве при воздействии некоторых кислот и их солей (HCl, HN₄Cl) в зависимости от содержания в ней ряда минеральных веществ.

Исследование действия ионизирующего излучения на уровне биогеоценозов ставит перед учеными новые вопросы и задачи по сравнению с действием облучения на индивидуальном организме. Если механизм поражающего действия больших доз и уровней загрязнения во многом понятен и изучен, то действие малых доз, особенно при хроническом их влиянии слабо изучено, и требует новых подходов, связанных с анализом популяционных изменений, при котором хроническое облучение малыми и сверхмалыми дозами, особенно искусственными радионуклидами, выступает не только как фактор повышающий скорость накопления мутаций, но и в качестве фактора отбора.

На юго-востоке Франции комиссией по атомной энергии после аварии в Чернобыле было проанализировано более 2800 видов сельхозпродукции, как французского, так и иностранного производства, потребляемых жителями этого региона. Установлено, что наиболее загрязнены надземные части растений (лиственные овощи, фураж, пряности и лекарственные растения). Обнаружены вариации активности в 10 - 100 раз, даже для одних и тех же растений в ограниченном районе. За первый год после аварии основной вклад в дозу, полученную людьми дают ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs и ¹⁰³Rn. Вклад в дозу от салата, загрязненного этими изотопами составляет 0,9 мкЗв/год, в то время как от поступающего в пищу ⁴⁰К - 7 мкЗв/год. Аналогичный результат получен для яблок и тимьяна.

Важным фактором является кислотность почв, так поступление в растения радионуклидов марганца-54, кобальта-60, цинка-65 и кадмия -115 из основных почв Нечерноземной зоны в зависимости от свойств почв изменялась от 3 до 24 раз. Накопление радионуклидов сельскохозяйственными культурами также варьировало от их видовых особенностей и степени окультуренности почвы. На первом этапе длительных непрерывных выпадений из атмосферы углерода-14, иода-129, цезия-137, доминирующий путь их поступления в продукцию растениеводства - непосредственное осаждение на поверхность растительного покрова. Почвенный путь для цезия-137 и иода-129 значим лишь при продолжительности их выпадений в течение десятков и сотен лет.

При достижении равновесия концентраций радионуклидов в системе атмосфера - почва, вклады обоих путей примерно равнозначны. В отличие от этого поступление углерода-14 из почвы в надземную фитомассу незначительно и составляет менее 1 % воздушного пути поступления даже при достижении равновесия его концентраций в системе атмосфера - почва. Поступление иода-129 и цезия-137 из почвы в урожай становится ведущим после прекращения выпадений их из атмосферы. В этом случае при разработке мер, направленных на снижение загрязнения рациона человека, следует руководствоваться количественными показателями перехода радионуклидов из почвы в растения, зависящими от типа почвы, вида растений и условия ведения сельскохозяйственного производства. Значения коэффициента накопления для цезия-137 в генеративных органах растений на разных почвах близки к этому показателю для иода-129, в то время как для вегетативных частей растений они в 30 - 40 раз выше, чем для иода-129.

При изучении накопления марганца-54, кобальта-57, никеля-63, цинка-65 и стронция-90 в яровой пшенице на двух разных почвах с различным содержанием извести и минеральных удобрений, показано, что коэффициент накопления в зерне пшеницы уменьшался в ряду: цинк/марганец/стронций/никель/кобальт. Коэффициент накопления цинка и марганца в зерне колебались от 1 до 13. Для других радионуклидов коэффициент накопления был ниже более чем в 10 раз. Внесение извести уменьшало коэффициент накопления марганца, цинка и стронция, но мало снижало поглощение растениями никеля. Во всех случаях отношение стронций/кальций было максимальным при внесении NPK и снижалось при внесении извести.

Во многих работах, отмечена способность грибов накапливать радионуклиды в значительных количествах, причем коэффициент накопления может достигать 192. В съедобных грибах концентрация радионуклидов цезия колебалась от 0,46 до 11,3 кБк/кг сухой массы в шляпках и от 0,27 до 76,3 в ножках, причем их концентрация в кожице шляпки была в два раза выше, чем в базальной части ножки. Концентрация радионуклидов на единицу сухой массы была в 10 раз выше, чем на единицу сырой массы.

Особое значение среди -излучателей имеет плутоний - один из самых токсичных долгоживущих радионуклидов. 1 мг плутония дает 138×10⁶ -распадов в минуту, при этом 69% всех частиц обладает энергией 5238 Мэв. В химическом отношении плутоний отличается стабильностью четырехвалентных соединений. Он образует соли хорошо растворимые в воде, которые могут подвергаться гидролизу и проявлять радиоколлоидные свойства. Как и остальные тяжелые элементы плутоний легко адсорбируется и осаждается, а также дает с белками прочные трудно диссоциирующие соединения. Через короткое время после попадания плутония в организм главным местом отложения являлись скелет и печень, но со временем концентрация плутония в печени снижается, а в костях продолжает накапливаться. В других органах плутоний содержится в сравнительно небольших количествах и распределяется относительно равномерно.

После аварии в Чернобыле в Германии проводилось изучение накопления радионуклидов цезия в мышечных тканях косуль, с целью биоиндикации загрязнения окружающей среды в ненарушенной экосистеме животных. Для исследования у животных, забитых в 1986 - 1988 годах, отобрали 300 образцов гладкой мускулатуры из области бедра. Концентрация цезия-137 в 1988 году в образцах была в 5 раз ниже, чем в 1986, и в 1,5 ниже, чем в 1987 году. Максимальные концентрации в 1987 году составляли 700, а в 1988 году - 400 Бк/кг. В 1987 и 1988 годах наблюдались большие сезонные флуктуации в содержании цезия-137 в мышечных тканях косуль с сильным повышением в осенние месяцы, в период увядания однолетнего травостоя, за счет увеличения в рационе животных многолетников, накапливающих больше цезия.

В Англии в период с 1977 по 1985 год проведены измерения концентраций цезия-137 и стронция-90 в травостое пастбищ и молоке выпасаемых коров. На основании полученных данных, рассчитывали коэффициент перехода радионуклидов из рациона в молоко по формуле: коэффициент перехода = концентрация в молоке (Бк/л) / суточное поступление с рационом (Бк/сут). Эта величина составила 0,004 для цезия-137 и 0,001 для стронция-90. Соотношение концентраций в молоке и траве было равно 0,05 (БК/л)/(Бк/кг) для цезия-137 и 0,014 (Бк/л)/(Бк/кг) стронция-90.

На севере Швеции в течение первого года после аварии на Чернобыльской АЭС были исследованы образцы мяса более 3000 оленей с пастбищ, где активность почв за счет цезия-137 колебалась в пределах от 2 до 60 кБк/м² и выявлена положительная корреляция между концентрацией радионуклида в мышцах оленей с содержанием его в почве. Перед аварией на Чернобыльской АЭС содержание цезия-137 в мясе оленей составляло 33 Бк/кг, после аварии средний уровень активности на 1 кг свежего мяса у оленят и половозрелых животных составил 470 и 300 мг/кг соответственно. Среди оленей старше одного года накопление радионуклидов было выше у самок. Сезонные колебания были незначительны с тенденцией уменьшения содержания радионуклидов в зимнее время.

Экспериментально показано, что облучение популяций различных видов и классов на протяжении многих поколений приводит в определенных условиях к увеличению их радиорезистентности, причем возможно возникновение неспецифической адаптации облучавшихся популяций к мутагенам физической и химической природы.

В общественном сознании укрепилось мнение о безусловной вредности радиационных воздействий даже в малых дозах. По-видимому, это не совсем так. Во многих опытах была показана возможность повышения активности живых организмов при облучении дозами менее 1/10 от LD₅₀. С другой стороны такие эксперименты не имели стопроцентной повторяемости, что ставило их под сомнение. В ряде опытов было обнаружено, что снижение радиационного фона в регулируемых условиях также снижает скорость деления клеток, рост и размножение. Кроме того, в литературе неоднократно отмечался факт интенсивного развития живых организмов в зоне антропогенно повышенного фона, при условии, что величины облучения значительно ниже опасных для жизни.