Ветеринарная радиология

Под миграцией радионуклидов в почве понимается совокупность процессов, приводящих к перемещению радионуклидов в почве по глубине и в горизонтальном направлении. Причины миграции разнообразны и определяются рядом факторов: конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков при их движении в глубь почвы, капиллярный перенос влаги к поверхности  в результате испарения); диффузия свободных и адсорбированных ионов; роющая деятельность почвенных животных; корневой перенос растениями; хозяйственная деятельность человека и др.

Около 70% радиоактивных выпадений задерживается слоем почвы 0-5 см, 30% проникают на глубину 15 см. В верхнем слое почвы образуются комплексные соединения с гумусовыми веществами. Часть радионуклидов вступает в реакцию с легкорастворимыми веществами почвы и мигрирует по профилю почвы с водно-солевыми растворами.

Накопление радионуклидов в растениях может происходить за счет удержания части радиоактивных выпадений из атмосферы на поверхности растений; усвоения их из воздуха (хлоральное усвоение CO2); за счет ассимиляции радионуклидов из почвы при корневом питании (основной фактор); за счет механического загрязнения растений в процессе уборки урожая или в результате вторичного ветрового подъема радионуклидов с поверхности почвы.

Аэральное загрязнение растений происходит за счет радиоизотопов инертных газов (криптон-85, ксенон-133) и радионуклидов (тритий, углерод-14, йод-131, цезий-134 и 137). В процессе фотосинтеза происходит образование углеводов, белков в растительной ткани и усвоение углерода-14 из CO2 воздуха, а также трития.

Поверхностное загрязнение растений в основном отмечается  в течение нескольких месяцев с момента радиационных аварий. Так как в атмосфере содержится незначительное количество радионуклидов, они в основном мигрируют в растения из почвы через корневую систему. Степень миграции при этом определяется четырьмя факторами:

1.Физико-химическая характеристика почвы и свойства радионуклидов. Что касается почвы, то учитывается тип ее, механический состав, соотношение минерального и органического вещества почвы, ее кислотность, карбонатность, влажность.

Хуже всего радиоактивные элементы всасываются из чернозема, далее идут каштановые почвы, сероземы, серые лесные почвы. В наибольшем количестве накапливаются радиоизотопы в растениях на торфоболотных и дерново-подзолистых почвах. Из почвы в растения поступают лишь те радиоизотопы, которые растворяются в воде. Среди выпавших после аварии на ЧАЭС радионуклидов лучше растворяются 89Sr, 90Sr, они лучше и поступают в растения. Затем следуют 134Cs и 137Cs. В гораздо меньшей степени накапливаются растениями трансурановые элементы, и в частности изотопы плутония (238Pu,  239Pu, 241Pu и др.).

2. Биологические особенности растений. Сюда отнесены продолжитель-ность вегетационного периода, характер распределения корневых систем в почве (одно,  когда корневая система расположена поверхностно и другое, когда – глубоко), особенности системы минерального питания и др.

Межвидовые различия в аккумуляции радионуклидов могут достигать 10-30 раз,  сортовые различия – 2-3 раза. Наиболее интенсивно идет накопление радионуклидов в стеблях и листьях, значительно слабее в генеративных органах растений. Так, в созревшей фасоли стронций-90 распределяется следующим образом: в листьях 53-68%, стеблях 15-28%, створках 12-25% и зерне 7-14%.

Наиболее активно накапливают радиоактивные вещества лишайники, мхи, грибы, бобовые, злаки (так называемые растения- концентраты).  Из дикорастущих ягод сильнее всего концентрируют радиоактивность клюква, малина, черника, земляника.

Стронций-90 и цезий-137 более интенсивно поглощаются зернобобовыми культурами, меньше – злаковыми.

Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют различные показатели. Одним из наиболее широко применяемых является коэффициент накопления (Кн). Кн – отношение содержания радионуклида к единице массы растений и почвы соответственно. 

3. Агротехника (заглубление, вспашка, фрезерование). Данные операции изменяют положение загрязненного верхнего слоя почвы к основной массе корней и тем самым снижают накопление радионуклидов растениями.

4. Агрохимия. Агрохимические способы обработки почвы (орошение, известкование, удобрение, мелиорация) могут как усиливать,  так и уменьшать накопление радионуклидов растениями.

Радионуклиды поступают в части растений, представляющие пищевую и корневую ценности, и тем самым включаются в наземные пищевые и кормовые цепочки.

5.  Характеристика природных радионуклидов

(тритий, углерод, калий, радон, радий, уран)

С радиоэкологической точки зрения все радионуклиды целесообразно разделить на естественные, присутствие которых на Земле не связано с деятельностью человека,  и искусственные, включая техногенные радионуклиды. Это деление несколько условно, так как образующиеся в естественных условиях легкие радионуклиды могут быть получены и искусственным путем. Например, тритий может образовываться как в естественной среде в результате ядерных реакций химических элементов с космическим излучением, так и в реакциях с искусственно вызванным делением или синтезом ядер. Или такой искусственный радионуклид как стронций-90, который может образовываться и в окружающей среде при спонтанном делении урана-238.

Все естественные радионуклиды целесообразно делить на две группы: легкие и тяжелые. К тяжелым радионуклидам относят нуклиды трех радиоактивных семейств. Все остальные относят к легким.

Тритий –  радиоактивный изотоп водорода. Два других изотопа водорода (протий и дейтерий) являются стабильными. Водород (от греч. hydro genes – порождающий воду) как элемент известен с 1766 года. Это химический элемент VII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Водород представляет собой бесцветный газ, без запаха, не растворяется в воде. На воздухе горит, образует с воздухом взрывоопасные смеси. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) его содержится 7 кг.

Атомная масса трития 3,016. Он обладает малой степенью токсичности (группа Г). Период полураспада – 12,34 года. Распад трития сопровождается    β-излучением с низкой энергией частиц – 0, 0186 МэВ. Бета-частицы имеют максимальный пробег в воздухе 6 мм,  в биологических тканях – 6 мкм. При испускании тритием электрона появляется стабильный изотоп гелия (8He).

Природный тритий образуется в результате взаимодействия космических излучений с N, O и Ar в атмосфере.  Глобальное содержание – 1,3·1018 Бк. В Мировом океане его находится 65% (800 г), в атмосфере около 8%, на земле в континентальных водах – 27%. Около 99% количества природного трития превращается в тритиевую воду (H3 HO).

Искусственный тритий образуется при работе реакторов, при переработке отработанного топлива и при испытаниях ядерного оружия. В промышленных условиях тритий получают в результате облучения нейтронами лития. Общее количество трития поступившего в стратосферу при термоядерных взрывах до 1979 года составило от 1,2·1020 до 2,4·1020 Бк, что значительно превысило содержание природного трития.

Тритий считается абсолютный органоген, без него невозможно физиологическое развитие живых организмов. Он включается практически во все реакции, присущие биогеохимическому циклу водорода. При поступлении в организм с пищей, воздухом или через кожу быстро всасывается в кровь и равномерно распределяется в водной среде организма. Из организма выводится с мочой и потом. Средний период полувыведения 10 суток. Около 1% устойчиво связывается с тканями. Токсичность соединений трития для разных видов животных неодинакова: собаки приблизительно в 7 раз, а кролики в 4 раза чувствительнее крыс.

В организме тритий вызывает острые и отдаленные эффекты: угнетение кроветворения, геморрагический синдром, поражение половых органов и генетического аппарата, злокачественные новообразования, в частности лейкемии.

Углерод (от лат. carbo – уголь) – химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Известен с глубокой древности. Атомная масса 12,01. В природе встречается в свободном состоянии в виде графита и алмазов. Углерод – главнейший элемент живой природы, его соединения являются основой всех живых организмов  («носитель жизни»). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 16 кг.

В природной среде имеется два стабильных изотопа 12C (98,89%), 13C (1,11%). Известно 6 радиоизотопов. Они получены искусственным путем. Основной и наиболее значимый  радиоактивный изотоп 14C. Он может быть естественного и искусственного происхождения. Естественный 14C постоянно образуется  в атмосфере из азота под действием нейтронов космического излучения (нуклид с наведенной радиоактивностью). Искусственный 14C образуется в результате ядерных взрывов, при производстве ядерной энергии, сжигании угля, нефти, природного газа. Период полураспада 14C составляет 5730 лет, β-излучатель с энергией частиц 156 кэВ. Группа Г по токсичности.

Миграция 14C в биосфере подчиняется закономерностям углеродного геохимичекого цикла. Общеизвестен метод определения возраста почв и соответственно археологических находок (ископаемых) по его содержанию (в пределах максимум 10 периодов полураспада, то есть 55-56 тыс. лет).

Участвуя в общем круговороте (окисляясь кислородом или озоном, превращается в углекислоту),  в процессе фотосинтеза усваивается  растениями, а затем животными и человеком и является источником внутреннего облучения. 14C в организме включается в состав практически всех важнейших биомолекул и производит их повреждение. За счет внутреннего облучения углеродом ткани человека получают в год 0,5-2,2 мрад. Из организма выводится в основном через легкие.

Калий (лат. kalium) – химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева.  Открыт элемент в 1807 году. Атомная масса 39,0983. Это мягкий, белый щелочной металл плотностью 0,68 г/см с температурой плавления 62,3оС. В земной коре содержится 2,6% калия. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 140 г.

Природный калий состоит из трех изотопов: двух стабильных  39К (93,08%),  41К (6,9%) и  одного радиоактивного 40К (0,0119%). 40К является  β- и γ-излучателем, испуская бета-частицу превращается в стабильный изотоп 40Ca. В 8 раз реже осуществляет К-захват электрона и превращается в стабильный изотоп 40Ar. Период полураспада 40К  составляет 1,45·109 лет. 40К один из основных по активности естественных радионуклидов в почвах, растениях. Важен для всех живых существ. Было даже введено понятие «калийный фон». В организм попадает с пищей и водой, полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется. При внутреннем облучении поглощенная доза может составлять до 20 мрад/г. Выводится в основном с мочой. Период полувыведения составляет 54 суток.

Искусственным путем получены радиоактивные изотопы 42К (Т½  - 12,36 ч, β- и γ-излучатель, группа токсичности - В) и 43К (Т½   - 22,3 ч,   β- и γ-излуча-тель). 42К является экологически опасным и при поражении организма развивается лейкоцитопения, лимфоцитопения, нарушение пищеварения.

Радон (назван по аналогии с радием) – радиоактивный химический элемент YIII группы периодической системы Д.И. Менделеева.  Открыт в 1900 году. Атомная масса 222.  Это бесцветный газ, который не имеет цвета, запаха, вкуса, в 7,5 раз тяжелее воздуха.  Присутствует повсеместно в кристаллических и осадочных горных породах, содержащих уран: в Бразилии, США. Индии, Скандинавии, Германии. И в Беларуси –  местах геологических разломов: в Микашевичах, Шкловском районе, в Минске. Радон встречается во многих материалах, откуда он может поступать в воду и воздух. Содержание в человеческом организме нулевое.

Радон существует в виде трех радиоактивных изотопов: 219Rn, 220Rn, 222Rn. 222Rn – естественный инертный радиоактивный газ, образующийся как продукт распада 226Ra. 222Rn  имеет период полураспада 3,82 дня, α- и γ-излучатель. Энергия альфа-частиц 55 МэВ. Продукты распада радона полоний, бериллий, свинец.

Радон и продукты его распада поступают в организм человека главным образом ингаляционным путем, особенно при нахождении в закрытом, непроветренном помещении, где концентрация его в 8 раз больше, чем на улице. В газетах писали о нем: «Беспощадный убийца, незаметно проникающий в наши дома». На долю радона приходится 30-40% дозы облучения, получаемой населением от естественных источников. Для курильщиков радоновое облучение повышает риск заболевания раком легких в 10 раз.

Радон накапливается на первых этажах зданий, в подвалах, погребах, шахтах. Поэтому помещения следует проветривать. Радон может поступать в помещения не только из земли., но и вместе с природным газом, сжигаемом в кухонных плитах и с водой. Концентрация радона в ванных комнатах в 3 раза больше, чем на кухне и в 40 раз выше, чем в жилых комнатах.

Радий (от лат. radius – луч) – радиоактивный химический элемент II группы периодической системы Д.И. Менделеева.  Открыт в 1898 году. Атомная масса 226,0254.   Это серебристый, блестящий, мягкий металл, плотность около 6 г/см3, температура плавления 960оС. Содержание радия в земной коре 10-10 вес.%. Встречается в природе в урановых рудах. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 31·10-9 мг.

Радий имеет 4 радиоизотопа: 223Ra,  224Ra, 226Ra, 228Ra. Основной радио-активный изотоп 226Ra (семейство 238U)  имеет период полураспада 1622 года.  Группа А по токсичности. При его распаде  происходит испускание α-частиц с энергией 4,777 МэВ и γ-квантов с энергией 0,188 МэВ и образуется радиоактивный изотоп инертного газа 222Rn. В течение суток 1 г радия выделяет 1 мм3 радона. Другие радиоактивные изотопы радия относятся к ториевому и  актиниевому и семействам.

223Ra имеет Т½   - 11,43 дня, , α- и γ-излучатель. 224Ra - Т½   - 3,66 дня, α- и γ-излучатель. 228Ra - Т½    - 5,75 лет, β- и γ-излучатель.

Радий в биосистемах подобен кальцию и стронцию. Из желудочно-кишечного тракта всасывается 20-70% радия. В организме распределяется в крови, мягких тканях, коже, из которых выводится довольно быстро, и преимущественно в костях (40%). Выводится из организма с калом  (95%)  и мочой (5%). Поражение организма характеризуется анемией, лейкоцитопенией, декальцификацией костной ткани, изменениями в легких и коже. В отдаленные сроки облучения наблюдаются остеосаркомы, пневмосклероз, рак легких и кожи, опухоли других органов и тканей.

Уран (назван  в честь планеты уран) – радиоактивный химический элемент, относящийся к группе актиноиды периодической системы Д.И. Менделеева.  Открыт в 1789 году, выделен в 1841 году. Атомная масса 238,0289. Это серебристый с голубоватым оттенком, ковкий, пластичный металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой. Его плотность  19,05 г/см3.  Содержание урана в земной коре 4·10-4 вес.%, имеется  в почве и воде. Встречается в природе в рудах: уранинит, кариотит. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 0,09 мг.