^ 3.2 Действие больших доз ионизирующих излучений Понятие «большая доза» также условна, как и понятие «малая доза». В отношении живых организмов ее конкретная величина зависит от чувствительности конкретного организма или популяции. Исходя из приоритетного рассмотрения радиационного влияния на человека, отметим, что с этой точки зрения большими дозами можно считать дозы, сравнимые по величине, с предельно допустимыми. На практике, в различных областях деятельности применяются дозы значительно превосходящие этот параметр.
В Российском онкологическом журнале в 2001 было приведено прижизненное наблюдение за динамикой роста облученных в больших дозах радиации клеточных культур (культура клеток HeLa и фибpобласты линии ДЭФ 4/21). Данные опытов свидетельствами о том, что под влиянием -облучения в больших дозах в клеточной популяции реализуется сложная защитная реакция, приводящая к появлению в облученной популяции жизнеспособных клоногенных клеток, восстанавливающих затем ее численность. Обнаружено, что потомки опухолевых клеток, выжившие после больших доз ионизирующего излучения, были в 2-3 pаза pадиоpезистентнее, чем исходные клетки. Особый интерес представляют данные о высокой способности этих потомков к pепопуляции: спустя всего 1-2 сут после облучения в дозах 12,5 и 15 Гp начинался быстрый pост клеточной массы. Стабильно сохраняющиеся различия между потомками опухолевых клеток, выживших после больших доз облучения, и исходными клетками, отмеченные авторами, свидетельствовали, по их мнению, о качественных изменениях в биологии потомков, закрепленных генетически.
^ 3.3 Действие ионизирующих излучений в зависимости от мощности дозыМощность дозы играет существенную роль при радиационном воздействии на любой объект, в том числе и на живой организм. На вопрос о действии той или иной дозы невозможно дать однозначный ответ, если не знать, за какой отрезок времени эта доза получена. Поясним на примере: с высоты 10 м падает тюк массой 100 кг на стоящего внизу. Опасно это или нет? Ответ как будто однозначен – да опасно. Но если это развязанный тюк пуха. Те же сто килограмм не произведут какого-либо опасного действия.
По аналогии с этим примером, даже смертельная доза 5-6 Гр, полученная равными порциями в течении 30 - 50 лет не окажет смертельного действия, хотя и может вызвать нежелательные изменения в организме.
^ 4 Защита от ионизирующего воздействияЗащита общего населения и обслуживающего персонала, а также защита в случае чрезвычайных ситуаций регламентируется нормами радиационной безопасности (НРБ) и основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений (ОСП). Нормы радиационной безопасности устанавливают систему дозовых пределов и принципы их применения. Основные принципы радиационной безопасности, предусмотренные в НРБ:
- не превышение установленного основного дозового предела;
- исключение всякого необоснованного облучения;
- снижение дозы излучения до возможно низкого уровня.
Дозовые пределы, установленные НРБ, распространяются на любые виды ионизирующего излучения, за исключением:
- доз, получаемых пациентами при медицинском обследовании и лечении;
- доз, обусловленных естественным фоном излучения.
Основные санитарные правила распространяются на все предприятия и учреждения, независимо от ведомственной принадлежности, где возможны производство, обработка, применение, хранение, переработка, обезвреживание и транспортирование радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излучений.
Физически защита от ионизирующих излучений может осуществляться расстоянием – то есть удалением от радиационного или иного источника на безопасное расстояние, или организацией поглощающего экрана. Такой экран может быть стационарным или передвижным, его основное назначение – поглощение энергии ионизирующего излучения. При использовании источников с малой проникающей способностью он может изготавливаться из органического стекла, обслуживающий персонал может быть защищен специальными защитными элементами из резины, с добавлением свинца, предохраняющими наиболее уязвимые органы. Установки с высокой активностью источников ионизирующего излучения экранируются свинцом или специальными бетонами. Кроме того, в практике применяется защита временем. Она заключается в том, что при получении дозы, соответствующей пределу дозы, работник может быть переведен на работу, на которой исключено получение дополнительной дозы.
В тех же случаях, когда произошло радиационное облучение вследствие аварии или иных причин, необходимо принять меры снижающие негативное действие излучателей на человека или животных. К ним относятся:
- дезактивация;
- йодная профилактика;
Дезактивация - это удаление радиоактивных веществ с отдельных участков местности, сооружений, транспорта, одежды, продовольствия, воды, человеческого тела и иных предметов до допустимых нор м загрязнения. Проводится она механическим и физико-химическим методами.
Механический метод - удаление радиоактивных веществ с поверхности (сметание с зараженных объектов щетками и другими подручными средствами, вытряхивание, выколачивание одежды, отмывание струей воды и т.д.). Этот метод наиболее доступен и может быть использован сразу после выхода с зараженной территории.
Однако дезактивация только механическим способом будет малоэффективна при тесном контакте радиоактивных веществ с поверхностью многих материалов, когда силы сцепления достаточно сильны. Физико-химический способ дезактивации - это использование растворов специальных препаратов, повышающих эффективность смывания радиоактивных веществ.
Дезактивация одежды и обуви. Частичная дезактивация организуется самим населением после выхода с загрязненной территории и проводится самыми простейшими механическими способами – вытряхивая или выколачивая с использованием щеток, веников и палок. Однако подобную дезактивацию можно проводить только в условиях, когда пыль не попадает в органы дыхания, на кожу или чистую одежду. В результате двукратной обработки загрязненность снижается на 90 - 95%. Однако если одежда и обувь мокрая, то степень зараженности уменьшается только на 30%.
После дезактивации каждую вещь подвергают повторному дозиметрическому контролю, и если уровень загрязненности окажется выше допустимых норм, то работа проводится вторично. Дезактивация одежды и обуви должна проводиться в надежных средствах защиты (противогазах, респираторах, ватно-марлевых повязках, защитных костюмах). Полная дезактивация одежды и обуви проводится на стационарных обмывочных пунктах, оснащенных соответствующими установками и приборами.
Механической стиркой дезактивируется одежда и другие предметы из хлопчатобумажной, льняной и шерстяной тканей в особом режиме с добавлением 0,5 %-ного раствора поверхностно-активных веществ и стиральных порошков. Одежду или обувь, которую дезактивировать полностью не удается, хранят в выделенных для этого местах с целью уменьшения степени загрязненности до установленных пределов.
При авариях на радиационно-опасных объектах в облаке радиоактивных продуктов содержится значительное количество радиоактивного йода-131, который сорбируется щитовидной железой человека и вызывает ее поражение. Наиболее эффективным методом защиты от действия радиоактивного йода-131 является йодная профилактика. С этой целью осуществляется прием внутрь лекарственных препаратов стабильного йода.
Доза принимаемого йодистого калия различна для взрослых и детей: взрослые и дети старше 5 лет - 0,25 г, дети от 2 до 5 лет - 0,125 г, дети до 2 лет - 0,04 г. Однако нужно помнить, что йодистый калий следует принимать только по рекомендации специалистов ЧС в случае аварии на радиационно-опасном объекте или иной радиационно-опасной ситуации.
При действии на местности, загрязненной радиоактивными веществами, чтобы исключить радиационные поражения людей, устанавливаются определенные допустимые дозы облучения на определенный промежуток времени. Степень радиационных поражений зависит от полученной дозы и времени, в течение которого человек подвергался облучению.
^ 5 Радиоактивное излучение в природеИсточники радиационного излучения по происхождению можно разделить на две группы:
- естественные источники радиации;
- источники, созданные человеком.
К естественным источникам радиации относятся:
космические лучи;
радиация литосферы, гидросферы и атмосферы.
Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время вспышек. Они взаимодействуют с атмосферой Земли, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.
Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, - это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Средняя эффективная эквивалентная доза, которую человек получает за год от земных источников радиации, составляет примерно 350 микрозиверт.
В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ (калий-40, свинец-210, полоний-210 и пр.), попавших в организм с пищей, водой и воздухом.
Важным источником радиационного воздействия является радон - невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ. Радон вместе со своими дочерними продуктами распада ответствен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы. Встречается в двух основных формах: радон-222 и радон-220. Он высвобождается из земной коры повсеместно, но основную часть дозы облучения человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. Жители подвалов и нижних этажей получают большую дозу от радона, чем жители верхних этажей высотных домов.
К источникам техногенного происхождения относят источники, использующиеся в медицине, среди которых рентген; компьютерная томография; радиотерапевтические установки для лечения рака; радиоизотопы, использующиеся для исследования различных процессов в организме. Средняя индивидуальная доза за счет источников медицинского назначения во всем мире составляет ~ 400 мкЗв на человека в год.
Ядерные взрывы внесли наибольший вклад в антропогенную радиационную составляющую. Наиболее опасны воздушные взрывы. Часть радиоактивного материала выпадает неподалеку от места испытания, какая-то часть задерживается тропосфере (самом нижнем слое атмосферы), подхватывается ветром и перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе в среднем около месяца, радиоактивные вещества во время этих перемещений постепенно выпадают на землю. Однако большая часть радиоактивного материала выбрасывается в стратосферу – следующий слой атмосферы, лежащий на высоте 10-50 км., где он остается многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.
АЭС вносят незначительный вклад в суммарное облучение населения. При безаварийной работе ядерных установок, выбросы радиоактивных материалов невелики.
^ 5.1 Естественный радиационный фонРадиоактивный фон
- это естественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественные радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде, а также в животных и растительных организмах. На диаграмме (рисунок 7) показано соотношение активностей основных первичных радиационных источников литосферы.
К числу важнейших радиационных источников, рассеянных в элементах биосферы относят радионуклиды, период полураспада которых достаточно велик – они сохранились со времени образования планеты – это калий-40 (К40), уран-238 (U238) и торий 232 (Th232), а также продукты распада тория и урана, в первую очередь радон и радий.
Фоновому облучению подвергаются все живые организмы Земли, в том числе человек (средние значения годовых доз облучения человека представлены в таблице 4). В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания радионуклидов в окружающей среде радиационный фон колеблется в значительных пределах.
В отдельных районах с высоким содержанием природных радионуклидов он может достигать 1000 мрад/год и больше. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях воздействия ионизирующих излучений. Биологическое значение фоновой радиации, однако, окончательно ещё не выяснено. Считают, что часть наследственных изменений – мутаций у животных и растений связана с естественным фоновым излучением.
Таблица 4 - Средние значения годовых доз облучения человека от природных источников
^ Источники ионизирующего действияСуммарная эквивалентная доза% от общей годовой дозымЗвмбэрЗемные
Космические
18,43
3,0
1843
300
86
14
Ядерные взрывы и поступление радиоактивных отходов с предприятий атомной промышленности, атомных электростанций и др. привели к некоторому повышению радиационного фона Земли. Дозы облучения от глобальных радиоактивных выпадений составляли единицы – десятки мрад/год. В основном они определялись поступлением в организм людей искусственных радионуклидов 90Sr и 137Cs. В районах локальных выпадений дозы внешнего и внутреннего облучения выше. В формировании их основное значение имели короткоживущие изотопы продуктов ядерного деления (131J, 89Sr, 140Ba). Повышение радиационного фона Земли может привести к накоплению в популяциях организмов, в том числе и людей, вредных мутаций.
В некоторых районах земного шара содержание природных радионуклидов в подстилающих породах и, соответственно, в почвах, водах и других объектах природной среды повышено по сравнению с "нормальными" районами или средними уровнями радиоактивности этих объектов в 20-100 и даже 1000 раз. В результате этого ЕРФ в этих районах оказывается резко повышен. Такие районы обнаружены на Памире и Тибете, побережье Бразилии и Франции, в Индии, Иране, Нигерии, на Мадагаскаре, Шри Ланке, Египте и т.д. Например, в Индии (штат Керала) 70000 человек живут вдоль прибрежной полосы (55 км) в местах выхода на поверхность монацитовых песков, содержащих до 8,0-10,5% по массе тория-232 и продуктов его распада. Средняя ежегодная доза облучения жителей этих мест составляет 3,8 мЗв (380 мбэр). Около 2,5 тыс. человек получают дозы свыше 5 мЗв, 6% - свыше 10 мЗв и около 0,7% - свыше 20 мЗв (0,5; 1,0; 2,0 бэра соответственно).
В Бразилии неподалеку от г.Посус-ди-Калдас на одной небольшой необитаемой возвышенности зарегистрирован уровень радиации порядка 250 мЗв или 25 бэр в год. Чуть меньшие уровни были обнаружены на морском курорте, расположенном в 600 км от этой возвышенности. В курортном городке Гуарапари (Бразилия) на отдельных участках пляжа отмечены уровни радиации порядка 175 мЗв/год, хотя на улицах города этот показатель оказался намного ниже - 8-15 мЗв, что однако тоже значительно превышает радиационный фон "нормальных" районов и сравним с уровнями профессионального облучения. В Иране в районе г. Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, зарегистрирована мощность дозы до 400 мЗв/год (40 бэр/год).
В бывшем СССР (Боржоми, Хмельнике, Мироновке) в местах выхода на поверхность радиоактивных (радоно-радиевых) вод ЕРФ оказывается существенно выше. Мощность поглощенной дозы достигает 10-30 мГр/год (1000-3000 мрад/год), местами – до 40-80 мГр/год (4-8 рад/год), т.е. превышает средний в десятки и более раз. В этих районах обитает и произрастает богатая и разнообразная фауна и флора, издавна проживают люди. Многолетние тщательные исследования не выявили у местного населения отклонений в состоянии здоровья, сокращения продолжительности жизни, повышенной онкогенной и иной заболеваемости по сравнению с соседними районами, где более низкий ЕРФ. То же можно сказать и о высокогорных регионах, где население подвергается существенно большему облучению вследствие высокой интенсивности космического излучения, а также из-за более высокого содержания терригенных нуклидов в изверженных горных породах (гранит, базальт).
В районах Крайнего Севера нашей страны, США, Канады и в Скандинавских странах имеет место повышенное поступление в организм человека свинца-210 и полония-210 по пищевой цепочке "лишайники – олень - человек". Лишайники, имеющие высокую сорбционную способность и большую продолжительность жизни (почти 300 лет), концентрируют эти радионуклиды из воздуха, поскольку не имеют корневой системы. При этом содержание свинца-210 в 1 кг сухого вещества лишайника достигает 215-340 (5,8-9,2), а полония-210 - 215-370 Бк (5,8-7,3 нКи). Олень поедает до 4 кг лишайников в сутки, в результате чего в его мясе накапливается до 14 Бк/кг (360 пКи/кг) свинца-210 и до 1,4 Бк/кг (38 пКи/кг) полония-210. В организм местного населения, питающегося мясом оленей, в среднем поступает 3,7 Бк/сут (100 пКи/сут) полония-210, что в 10 раз превышает уровень поступления этого радионуклида в "нормальных" районах. Повышенное поступление РВ сопровождается усиленным накоплением их в органах и тканях. В костях коренных жителей Крайнего Севера концентрация полония-210 в среднем составляет 710 пКи/кг (21 Бк/кг), что обуславливает годовую поглощенную дозу 1 мГр (100 мрад), которая примерно в 23 раза выше, чем у жителей "нормальных" районов земного шара. Повышенное содержание полония-210, а следовательно, и более высокие лучевые нагрузки отмечены и для других органов: гонад, легких, красного костного мозга.
^ 5.1.1 Естественные источники ионизирующего излученияПри изучении содержания естественных радионуклидов отмечено, что их активность может различаться в сотни раз, при этом содержание естественных радионуклидов снижается в почвах с грубой структурой, а отношение U238/Th232/K40 для почвы при природном распределении соответствует 1: 0,45: 26. Вероятно, с этим связана и различная радио чувствительность живых организмов, и, в первую очередь, растений, чей генотип был сформирован в определенных экологических условиях. Суммарная эквивалентная доза от природных источников приведена на рисунке 8.
Как видно из рисунка, более половины естественной эквивалентной дозы дают уран-238 и радий-226. второе место занимает торий-232 и его продукты его распада, среди других элементов значительную роль играет радиоактивный калий.
Нужно отметить и антропогенное изменение концентраций естественных радионуклидов. Поступление урана и тория в растительный покров связывается главным образом с функционированием предприятий по добыче и переработке некоторых видов минерального сырья и ископаемого топлива и применением фосфорных удобрений.
Считается, что применение минеральных удобрений с повышенным содержанием тяжелых естественных радионуклидов сопровождается их введением во внешнюю среду, что может привести к увеличению природного радиационного фона. Если для U238 и Th232 основная часть их потоков в биосфере контролируема, то многочисленные продукты распада этих радионуклидов зачастую не учитываются. В то же время известен тот факт, что в случае выщелачивания из пород и продуктов их разрушения в раствор переходят преимущественно дочерние изотопы урана и тория. При этом различие в формах нахождения изотопов одного и того же элемента может привести к .нарушению изотопного равновесия в пользу дочерних изотопов при миграции урана и тория в звене “почва - растение”.
Рисунок 8 - Суммарная эквивалентная доза от природных источников
В связи с этим возникает необходимость учета комплекса изотопов тяжелых радионуклидов и продуктов их распада Подтверждением вышесказанному служит вариабельность содержания радона - 222 в почве и грунтовых водах, при этом отмечается, что наряду с местными изменениями активности, средняя величина в геологическом регионе постоянна и зависит от концентрации предшественников. В некоторых случаях, возможно накопление активного газообразного продукта в концентрациях, достигающих предельно допустимых уровней и превышающих их при антропогенном загрязнении окружающей среды урана, эта опасность возрастает, особенно при выделении радона в пресноводные экосистемы и накоплении радиоактивного продукта в трофических цепях.
^ 5.2 Антропогенные источники ионизирующего излученияЗначимость радионуклида техногенного происхождения для окружающей среды зависит, в первую очередь, от периода полураспада, его качества и активности. По скорости распада радионуклиды можно разбить на три группы: с коротким периодом полураспада - от долей секунды, до нескольких лет; со средним периодом полураспада - до нескольких десятков лет, и, наконец, долгоживущие - тысяча и более лет. Качество определяется типом распада и энергетической характеристикой продуктов распада, при этом необходимо учитывать как конечные, так и промежуточные продукты. Активность нуклида определяется количеством распадов в единицу времени, снижаясь с течением времени.
Во время аварии или ядерного взрыва наибольшую опасность представляют короткоживущие нуклиды с высокой скоростью распада и высокой активностью, затем возрастает роль элементов с большим периодом полураспада, и, наконец, долгоживущих радионуклидов. Антропогенные радионуклиды поступают во внешнюю среду не только во время ядерных взрывов и аварий, но и благодаря добыче и переработке полезных ископаемых, сжиганию угля и использованию удобрений.
При учете действия радионуклидов техногенного происхождения, недостаточно учитывают различие в частотных характеристиках продуктов распада, что приводит к различному способу радиационного воздействия на живой организм. В связи с этим недостаточен учет только лишь изменения дозовой нагрузки в результате воздействия техногенных нуклидов, но необходим учет различия в физических характеристиках воздействующих частиц. При этом если активность естественных радионуклидов величина практически постоянная во времени для данного региона, то активность антропогенных нуклидов непостоянна во времени и пространстве и в значительной степени изменяется в течение жизни одного - двух поколений большинства животных и растений, что не позволяет выработать адекватную эволюционную защиту от воздействия этих факторов.
Как правило, искусственные радионуклиды попадают в природную среду через атмосферу, выпадая в виде различных соединений, различающихся по своей растворимости и первичному взаимодействию с почвой. В почве радионуклиды находятся в водно-растворимой, обменной, подвижной и аморфной формах, а также в катионной, анионной и нейтральной форме и в водно-растворимом состоянии в грунтовых водах. Главная роль в миграции нуклидов в наземных экосистемах принадлежит гумусовым и низкомолекулярным кислотам и их соединениям с химическими элементами, а также гидр оксидам железа и алюминия.
^ 6 Радиационное действие на экосистемыРадиоэкология 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 138106 -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.
^ 7 Радиоактивное загрязнение биосферыРадиоактивное загрязнение биосферы - попадание радиоактивных веществ (РВ) в живые организмы и среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву), происходящее в результате ядерных взрывов, удаления в окружающую среду радиоактивных отходов, разработки радиоактивных руд, при авариях на атомных предприятиях и т.д. Радиоактивное загрязнение вызывается продуктами деления ядер (например, 90Sr, 137Cs, 144Ce), наведёнными радиоактивными нуклидами (3H, 24Na, 59Fe, 60Co, 65Zn и др.), естественно-радиоактивными тяжёлыми металлами (U, Th, Ra и др.) и искусственными трансурановыми элементами (Pu, Am, Cm и др.).
Величину радиоактивного загрязнения определяют методами радиохимии, радиометрии, спектрометрии и авторадиографии и количественно выражают в единицах радиоактивности (распады в секунду в 1 г ткани, nкюрu/т3 воздуха или воды, мкюри/км2 суши или водоёма). Глобальное радиоактивное загрязнение к 1973 составляло более 1,5 Гкюри (гигакюри) в результате ядерных взрывов и более 5 Мкюри (мегакюри) - вследствие поступления в Мировой океан радиоактивных отходов. Наиболее загрязнены районы умеренных широт, особенно в Северном полушарии.
Попадая в реки, озёра, моря и океаны, РВ поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей РВ переходят в зоопланктон, для которого водоросли служат пищей, а затем в организм моллюсков, ракообразных, рыб.
С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья РВ поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, - в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком - в организм человека (в частности, 90Sr, попадая в организм человека с овощами или молоком, может накапливаться в костной ткани, особенно у детей).
Выяснением экологической значимости разных уровней ионизирующей радиации и созданием научных основ рекомендаций по защите от негативных последствий поступления радионуклидов, включая составление прогнозов возможного нарушения структуры, продуктивности и самоочищения экосистем, занимается радиоэкология, а медицинскими аспектами проблемы - радиационная гигиена. Координацию деятельности разных стран по предотвращению радиационного загрязнения осуществляет МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии).
^ 7.1 Аккумуляция радиоактивных веществАккумуляция радиоактивных веществ в биосфере, накопление радиоактивных веществ (РВ) всеми составными частями биосферы -живыми (микробы, растения, животные, человек) и неживыми (почва, воды суши и океанов). Особенно энергично аккумуляция радиоактивных веществ происходит в организмах некоторых видов. Некоторые РВ прочно связываются теми или иными тканями (например, стронций и плутоний костями животных и человека), другие, например цезий, легко выделяются. Аккумуляция радиоактивных веществ, временно выходящих из биологического круговорота, осуществляется в основном в донных отложениях, а на суше - в почве.
Из радиоактивных нуклидов, поступающих в почвенный раствор, часть аккумулируется растениями и вместе с растительной пищей попадает в организмы животных и человека, а после их смерти - снова в почву. Таким образом, флора и фауна (особенно виды животных, встречающихся в массовом количестве, - насекомые, черви и др.) служат важным фактором перемещения РВ в почве. Мерой аккумуляция радиоактивных веществ в организме служит коэффициент накопления, т. е. отношение концентрации радионуклидов в организме к концентрации их в окружающей среде и в воде (для водных организмов) или почвенном растворе.
Коэффициент накопления зависит от вида и состояния организма, свойств и концентрации нуклидов, степени их связывания в среде и др. Коэффициент накопления различных радиоактивных изотопов водными организмами сравнительно высоки - порядка 102 - 104; так, он равен: для зелёных водорослей по Sr90 - 1,6103, для моллюсков по Nb95 - 3103 для рыб по Y91 - 5102. Аккумуляция радиоактивных веществ организмами приводит к их облучению, что может вызвать развитие лучевой болезни, злокачественных опухолей, вредные генетические последствия и гибель организмов.
Попадая в реки, озёра, моря и океаны, радионуклиды поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей РВ переходят в зоопланктон, для которого водоросли служат пищей, а затем - в организм моллюсков, ракообразных, рыб. С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья РВ поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, - в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком - в организм человека (в частности, Sr90, попадая в организм человека с овощами или молоком, может накапливаться в костной ткани, особенно у детей).
При поглощении радиоактивных элементов растениями или животными обычно происходит значительное повышение их концентрации в биологических объектах по сравнению с содержанием РВ в окружающей среде. Организмы, которые накапливают те или иные радионуклиды в особенно высоких концентрациях, называют «биоиндикаторами радиоактивного загрязнения»; так, водоросль кладофора особенно интенсивно накапливает Y91, а моллюск большой прудовик - Sr90. При переходе от одного организма к другому происходит изменение содержания РВ. Например, концентрация Cs137 возрастает в цепи лишайники - мышцы оленей - мышцы волков (30, 85 и 181 пкюри/г сухой массы соответственно), а концентрация Sr90 в этой же цепи уменьшается (7,2, 0,1 и 0,04 пкюри/г сухой массы). На радиоактивное загрязнение различных элементов биосферы влияют химическая форма и физическое состояние РВ, температура и химический состав окружающей среды, а также др. факторы.
^ 8 Радиационный мониторингМониторинг окружающей природной среды - система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени за состоянием окружающей природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных и опасных для здоровья людей и других живых организмов. Различают базовый, глобальный, региональный и импактный мониторинги.
Радиационный мониторинг является составной частью экологического мониторинга и обеспечивает оценку экологического состояния окружающей среды и изменения биоты при ионизирующем воздействии естественной и антропогенной компоненты радиационного.
Мониторинг принято делить на: базовый (или фоновый), глобальный, региональный, локальный, импактный. Базовый мониторинг (фоновый) - слежение за общебиосферными, в основном природными, явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний. Биосферный мониторинг наблюдения за глобально-фоновыми изменениями в природе: степенью радиации; наличием в атмосфере СО2, О3; ее запыленностью; циркуляцией тепла; газовым обменом между океаном и воздушной оболочкой земли; мировой миграцией птиц, животных, растений и насекомых; погодно-климатическими изменениями на планете.
Фоновое глобальное состояние биосферы изучают на фоновых станциях, которые организованны в ряде стран на базе биосферных заповедников. Фоновое состояние среды в прошлом можно реконструировать с помощью анализа колец деревьев, газовых слоев ледников и донных отложений.
Глобальный мониторинг - слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях. Региональный мониторинг - слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по природному характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы.
Региональный мониторинг дает оценку антропогенного влияния на природную среду в ходе обычной хозяйственной деятельности человека, которая обязательно предполагает тот или иной вид взаимодействия с природой, (градостроительство, сельское хозяйство, энергетика, и т.д.). При региональном мониторинге оценивают взаимодействие человека и природы в различных отраслях народного хозяйства, дают характеристику общего нарушения природной среды, привноса и выноса из природных систем веществ и энергии.
Региональный мониторинг проводят агрослужба, гидроклиматическая, лесоустроительная, сейсмологическая и другие службы. Локальный мониторинг осуществляет контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ и других загрязнителей в атмосфере, природных водах, растительности, почве, подверженных воздействию конкретных источников загрязнения. При локальном мониторинге состояние окружающей среды оценивается с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, емким и комплексным показателем состояния окружающей среды. Проводят локальный мониторинг природоохранные службы предприятий.
Импактный мониторинг (мониторинг источников антропогенного воздействия) - мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах. Под источником антропогенного воздействия следует понимать источники эмиссии (выделения) веществ, энергии и излучений в природные среды, а также изъятие природных ресурсов, нарушение естественной структуры и их составляющих.
По методам ведения и объектам наблюдения выделяются например: авиационный, космический, окружающей человека среды, агроценозов, леса. Авиационный мониторинг - мониторинг, осуществляемый с самолетов, вертолетов и др. летательных аппаратов (воздушные шары, дирижабли и т.п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном в пределах тропосферы.
Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения (часто авиационный и космический мониторинги объединяют в дистанционный, добавляя получение данных от приборов расположенных в труднодоступных местах без постоянного присутствия человека).
Мониторинг окружающей (человека) среды - слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.
Естественная составляющая радиационного фона характеризуется плавностью, замедленностью изменений, возникающие колебания незначительны, хотя в некоторых случаях могут быть заметны, - например выбросы радона при изменениях в коре при землетрясениях, потоки излучения при вспышках на солнце или взрывах сверхновых и т.д.
Антропогенная составляющая ионизирующего излучения в окружающей среде характеризуется достаточно быстрыми изменениями, как в некоторых случаях в глобальном масштабе, так и в отдельных регионах, причем для таких изменений характерно появление в биосфере новых, ранее не существовавших нуклидов, или значительное увеличение концентраций радионуклидов имеющихся в ландшафте. В зависимости от необходимости естественную и антропогенную составляющие радиационного фона можно учитывать отдельно.
Мониторинг состояния окружающей среды включает:
- наблюдения за загрязнением атмосферы, поверхностных вод, почв и радиоактивности на Государственной сети наблюдений;
- оценку и анализ данных наблюдений;
-прогноз состояния и загрязнения природных сред (в том числе и радиоактивности) на базе анализа данных наблюдений.
Радиационный экологический мониторинг - это информационная система, созданная с целью наблюдения, прогнозов изменений радиационной составляющей в окружающей среде на всех уровнях общего экологического мониторинга, она способна выделить антропогенную составляющую радиационного воздействия на окружающую среду на фоне остальных природных процессов. Система радиационного экологического мониторинга обеспечивает наблюдение радиационной составляющей во всех средах, оценку полученных данных с учетом экологического нормирования – рисунок 9 - на основании этих оценок принимаются решения с целью снижения возможного негативного влияния. Мониторинг должен быть непрерывным – это обеспечивает управление качеством окружающей среды. Оценка получаемой радиационной составляющей производится непрерывно, что позволяет анализировать эффективность принимаемых решений и воздействий и производить их корректировку.
Экологическое нормирование - система правил (норм) и содержащихся в них количественных и качественных показателей (нормативов) оценки состояния окружающей среды и степени воздействия на нее, определяющая и обеспечивающая благоприятную среду для существования человека и сохранения биологического разнообразия. Документом, определяющим допустимые уровни радиационного воздействия на человека являются нормы радиационной безопасности (НРБ), которые периодически пересматриваются, учитывая новые научные знания, и обеспечивают сохранность здоровья человека при воздействии источников ионизирующего излучения, в случаях не превышения допустимых уровней облучения.
На основе этой системы действует государственная система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды, в том числе и ее радиационной составляющей.
Задачи системы состоят из следующих элементов:
- наблюдение за радиационными параметрами (характеристиками) во всех средах;
- обеспечение организации оперативной информации.
Нормативы, используемые для оценки полученной информации - ПДЭН (предельно допустимая экологическая нагрузка). ПДЭН - воздействие (совокупность воздействий), которые или не влияют на качество окружающей среды или изменяют его (качество) в допустимых пределах (т.е. не разрушая экосистему и не вызывая отрицательных последствий у живых существ, в первую очередь у человека).
Для Казахстана вопрос радиационного мониторинга имеет существенное значение. Как отмечено в статье 3.3.2. радиоактивное загрязнение Указа президента РК от 03.12.2003 N 1241 "О концепции экологической безопасности РК 2004—2015 годы", серьезную реальную угрозу экологической безопасности Казахстана представляет радиоактивное загрязнение, источники которого подразделяются на четыре основные группы:
- отходы неработающих предприятий уранодобывающей и перерабатывающей промышленности (отвалы урановых рудников, самоизливающиеся скважины, хвостохранилища, демонтированное оборудование технологических линий);
- территории, загрязненные в результате испытаний ядерного оружия;
- отходы нефтедобывающей промышленности и нефтяного оборудования;
- отходы, образовавшиеся в результате работы ядерных реакторов, и радиоизотопная продукция (отработанные источники ионизирующего излучения).
В Казахстане имеются шесть крупных ураноносных геологических провинций, множество мелких месторождений и рудопроявлений урана, которые обусловливают повышенный уровень естественной радиоактивности, отходы, накопленные на уранодобывающих предприятиях и в местах проведения ядерных взрывов.
На 30 % территории Казахстана существует потенциальная возможность повышенного выделения природного радиоактивного газа - радона, который представляет реальную угрозу для здоровья человека. Опасным является использование для питьевых и хозяйственных нужд воды, зараженной радионуклидами.
На предприятиях Казахстана находится более 50 тысяч отработанных источников ионизирующих излучений, и при радиационном обследовании было обнаружено и ликвидировано более 700 неконтролируемых источников, из которых 16 - смертельно опасные для человека.
Для предотвращения угрозы радиоактивного заражения населения и загрязнения окружающей среды необходимо: завершить работы по инвентаризации радиоактивных источников загрязнения и разработать программу, включающую изучение отрицательного возд
