Презентация7

«Ветеринарная радиобиология»
Тема лекции:
Проблемы и задачи радиоэкологии. Миграция радионуклидов в биосфере, накопление их в кормах, особенности их перехода по кормовым цепочкам

ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ
Радиоэкология - это наука, изучающая распределение радионуклидов в биосфере, особенности жизнедеятельности организмов растений и животных в условиях с повышенной относительно фоновой радиоактивности.
Радиоактивные источники (радионуклиды) по происхождению делятся на естественные (природные) и искусственные.
Естественные радионуклиды появились с момента зарождения планеты Земля, в недрах которой они представлены радиоактивными семействами U-238 (T½ = 4,5 млрд. лет), U-235 (T½ = 704 млн. лет). Во Вселенной радионуклиды космогенного характера в недрах звезд, Солнца представлены легкими по массе изотопами.
Искусственные радионуклиды появились в биосфере в результате испытаний и применения атомного оружия, аварий на АЭС и предприятий, использующих радиоактивные источники (металлургическая промышленность, производство ракетного топлива и т.д.). Следствием этого явилось образование радиоактивного облака, по ходу движения которого выпадали радиоактивные осадки, оставляя за собой радиоактивный след. В нем преобладают долгоживущие нестабильные изотопы.

Первичные радиоактивные осадки состоят из тяжелых крупных частиц (конгломератов), оседающих с пылью или дождем на расстоянии до нескольких сотен километров.
Вторичные осадки состоят из более мелких образований радионуклидов, которые поднимаются на несколько километров в средние слои атмосферы и относятся воздушными потоками на сотни и тысячи километров от места взрыва.
Глобальные (поздние) осадки состоят из пылевидных частиц, которые поднимаются в верхние слои атмосферы и с потоками воздуха циркулируют в течение 5 - 6 лет, выпадая в любой точке планеты. Следовательно, радиоактивное загрязнение носит при этом не локальный, а глобальный характер.

Загрязнение водоемов и почвы дает начало распространению радионуклидов по пищевой (биологической) цепи.
Пищевая цепь - это распространение вещества и энергии между звеньями биогеоценоза, представляющими различные трофические уровни.
На миграцию радионуклидов по «пищевым» цепям влияют физико-химические свойства радионуклидов в почве, содержание в ней стабильных изотопов (химических аналогов), свойства самой почвы, коэффициенты накопления, биологические особенности растений и агротехника возделывания культур.

Нахождение радионуклидов в почвенной влаге и перемещение вместе с ней приводит к химическим реакциям с минеральными и органическими веществами, входящими в состав твердой фазы почвы и почвенной влаги, а это, в свою очередь, приводит к возникновению химических соединений радионуклидов, имеющих различную энергию связи. Для них характерна различная степень подвижности в почве: наибольшая – для растворимых в воде соединений, наименьшая – для необменно сорбированных твердой фазой почвы радионуклидов.
Выделяют следующие основные механизмы миграции радионуклидов в почвах:
– конвективный влагоперенос (перемещение радионуклидов с почвенной влагой в направлении внутрипочвенного стока);
– диффузионный перенос свободных и адсорбированных ионов;
– миграция на коллоидных частицах – лессиваж;
– миграция по корневым системам;
– роющая деятельность животных;
– хозяйственная деятельность человека.

При конвективном влагопереносе происходит смещение максимума концентрации радионуклидов с постепенным его уменьшением и своего рода размыванием по почвенному профилю. Это понятие объединяет в себе процессы, имеющие различную физическую природу.
Так, при интенсивном поступлении влаги в результате осадков, особенно в теплое время года, имеет место ярко выраженное перемещение водорастворимых форм в более глубокие почвенные слои вместе с влагой.
По мере уменьшения количества радионуклидов в почвенной влаге – часть их постоянно уходит с влагой в более глубокие слои – происходит изменение соотношения химических форм нахождения радионуклидов в поверхностном слое почвы.
При интенсивном испарении влаги в сухую и жаркую погоду к поверхности почвы происходит подток влаги с глубинных слоев, вместе с ним поднимаются и радионуклиды. Исключением в таком процессе являются болотные торфяные почвы – в них подобный подток влаги имеет место в очень незначительной степени.
Часть радионуклидов в виде свободных ионов почвенного раствора и сорбированных по ионообменному принципу мигрируют в почве в направлении градиента концентрации (то есть от зоны с повышенным содержанием радиоактивных веществ, от поверхностного слоя, в зону с меньшей концентрацией) в результате диффузионного механизма миграции. Этот вид миграции приводит к выравниванию концентрации радионуклидов по всему почвенному профилю с течением времени.

В агробиогеоценозах основная масса радионуклидов более или менее равномерно распределяется в пахотном 25–30 см слое. На этой глубине отмечается ярко выраженная зона аккумуляции радиоактивных веществ, где проходит граница между пахотным и не нарушаемым слоем почвы. Имеется устойчивая тенденция увеличения количества обменных форм радионуклидов при интенсивной обработке почвы (проведение различных обработок, внесение удобрений) по сравнению с целинными землями. Для пахотных земель характерно и более или менее равномерное распределение радионуклидов по химическим формам нахождения в почве.
Для целинных земель радионуклиды распределяются в вертикальном профиле почвы по экспоненциальному закону с преобладанием в поверхностных слоях. По мере заглубления удельная активность их в почвенных слоях уменьшается многократно.
На лугах радионуклиды прочно удерживаются дерниной в верхнем пяти сантиметровом слое, чему способствует большое количество гумуса. Из него они довольно медленно мигрируют.
Естественные радиоактивные элементы распределены в лесных почвах практически равномерно: несколько большая их доля характерна для иллювиального почвенного горизонта. Искусственные радионуклиды попали в почвы относительно недавно, поэтому распределяются по более сложным закономерностям.
В лесных экосистемах аккумулятором радионуклидов является подстилка в виде лиственного или хвойного опада.

Основные пути поступления радионуклидов в растения
Внекорневой путь поступления радионуклидов
В процессе осаждения на земную поверхность искусственные радионуклиды сильно задерживаются надземной фитомассой растений. Существование мелкодисперсной фракции выпадений (газов и аэрозолей) приводит к некоторому поступлению их непосредственно в органы и ткани растений. На это влияет плотность растительного покрова, морфология растений, размеры и агрегатное состояние радиоактивных выпадений, метеорологические условия в момент радиоактивных выпадений. До 100 % задерживают радиоактивные выпадения хвойные леса, особенно молодые (до 20 лет). Сильная степень задерживаемости характерна для луговых трав и полное отсутствие таковой для болот.
Период полупотерь или полуочищения, это время, в течение которого с поверхности растений удаляется 50 % радиоактивных частиц. Чем больше размер частиц, тем быстрее они удаляются с поверхности растений. В первые сутки теряется основная масса частиц, наиболее крупнодисперсных, выпавших на растения. В последующее время удаляются все более мелкие частицы.
Значительную роль играет влажность окружающего воздуха, дисперсность частиц и физико-химические свойства радиоактивных элементов. Чем меньше размер частиц, тем легче они проникают через кутикулярный слой ассимилирующих органов.

Корневой путь поступления радионуклидов
Минеральные макро- и микроэлементы, а вместе с ними и радионуклиды, растворенные в почвенной влаге, поглощаются корневыми системами. Поглощение их в ионной форме происходит по следующим трем стадиям:
1) Ионы благодаря диффузии относительно легко проникают в свободное пространство корневых волосков. Данный процесс связан с энергией, высвобождающейся при дыхании.
2) Поглощенные ионы проникают в проводящие ткани, причем одновалентные, делают это намного быстрее, чем с более высокой валентностью. Между внешней средой и свободным пространством устанавливается равновесное состояние.
3) Происходит восходящее движение ионов в сосудистой ткани к фотосинтезирующим органам. Скорость движения зависит от интенсивности транспирации.
В дальнейшем, образованные в результате фотосинтеза органические вещества, а вместе с ними и радионуклиды, перемещаются к активно растущим тканям. Таким образом, происходит перераспределение радиоизотопов в растении.
Выявлена корреляция между содержанием 137Cs в растении с его содержанием в почве в кислоторастворимой форме.

Количественные показатели накопления радионуклидов из почвы
Наиболее часто используемыми количественными показателями поступления радионуклидов в растения являются следующие:
1) Коэффициент биологического поглощения:
количество радиоизотопа в растении (мг/кг золы)
Кбп = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
количество радиоизотопа в почве (мг/кг почвы)
Кроме того, данный показатель оказался совершенно неприменим для искусственных радиоизотопов – их в почве находится крайне мало – стотысячные доли микрограмма.
2) Коэффициент накопления:
концентрация радиоизотопа в растении (мкг/кг сух. в-ва)
Кн = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
концентрация радиоизотопа в почве (мкг/кг сух. в-ва)
или
удельная активность радиоизотопа в растении (Бк/кг)
Кн = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
удельная активность радиоизотопа в почве (Бк/кг)

3) коэффициент пропорциональности или коэффициент перехода:
удельная активность радиоизотопа в растении (Бк/кг)
Кп = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
плотность загрязнения радиоизотопом почвы (Бк/м2)
Этот показатель и коэффициент накопления являются наиболее применимыми при оценке поступления радиоизотопов в растения. Поступление радионуклида зависит от содержания в почве его биологически активных химических аналогов.
Их все можно разделить на изотопные и неизотопные.
Изотопные аналоги – это стабильные нерадиоактивные изотопы для данного радиоактивного изотопа. Например, для 90Sr это стабильный 88Sr, для l34,137Cs это стабильный l33Cs. Существенно то, что стабильные изотопы искусственных радионуклидов находятся в почвах также в ультрамикроконцентрациях.
Неизотопные аналоги – это химические элементы, принадлежащие к одной и той же группе периодической системы Менделеева. Например, стронций, как кальций и магний принадлежит к группе щелочноземельных металлов, а цезий, как калий, натрий, литий – к щелочным. Этим определяется сходство их поведения и взаимодействия с большей частью химических соединений – их сходные химические свойства, сходное поведение в различных реакциях.

Основные пути поступления радионуклидов в организм водных и сухопутных животных
Радиоактивное загрязнение биогеоценоза, аккумулированное его компонентами, является новым абиотическим фактором среды обитания. Специфическая особенность радиоактивного загрязнения среды обитания состоит в том, что радионуклиды действуют на все живые компоненты биогеоценоза; в результате концентрирования радиоактивных веществ в органах и тканях и вследствие облучения от источников, находящихся вне организма животного, они воздействует как изнутри, так и снаружи.
Популяции, обитающие в условиях повышенного естественного радиационного фона, обладают более высокой радиорезистентностью по сравнению с популяциями тех же видов из местообитаний с нормальным фоном радиации.
Существуют и научно определены (с помощью меченых атомов) три пути поступления радионуклидов в организм животных:
1. Алиментарный – основной.
2. Ингаляционный.
3. Кожный (2 %).

Всасывание радионуклидов у животных – это физиологический процесс активного/пассивного перехода органических и минеральных веществ через мембраны клеток из внешней среды обитания животного внутрь его организма.
Время наступления максимальной концентрации радионуклидов в крови после однократного орального поступления в организм 137Cs – 6–12 часов. Щелочные и щелочноземельные элементы всасываются 100 %, а тяжелые и редкоземельные элементы – 0,001–2,3 %.
Радионуклиды 137Cs дают с электролитами организма хорошо растворимые соединения, которые в значительных количествах проникают в кровь через клеточную стенку.
У растущих животных процессы всасывания радионуклидов протекают более быстро, чем у взрослых, что объясняется повышенной проницаемостью биологических мембран, потребностью организмов в минеральных веществах, идущих на построение организма. Снижение всасывание радионуклидов с возрастом можно объяснить уплотнением биологических мембран, уменьшением пор и проницаемости стенки ЖКТ.

Поступление радионуклидов через органы дыхания тоже не исключено, однако роль этого пути бывает второстепенной в сравнении с элементарным путем. Возможно проникновение 137Cs и через покровы, в частности, через кожу животных.
После прекращения поступления начинается вывод радионуклида из организма. Обычно, чем меньше масса тела, тем интенсивнее идет этот процесс. В основном радиоактивные продукты деления выводятся через желудочно-кишечный тракт. Это характерно для абсолютного большинства радионуклидов. В кале очень высока концентрация тех радионуклидов, которые плохо в нем абсорбируются. При условии установившегося равновесия содержания радионуклида в организме при хроническом его поступлении, концентрация в кале сопоставима с содержанием в рационе.
Выводятся радионуклиды из организма лактирующих животных с молоком.
Оказывает влияние на выведение радионуклидов внесение добавок минеральных элементов – аналогов того или иного радионуклида.

Основные закономерности миграции радионуклидов
Особенности обитания популяций животных в загрязненном продуктами деления биогеоценозе до сих пор остаются малоизученным вопросом. В природных условиях действие ионизирующих излучений на организм в сочетании с другими экологическими факторами часто оказывается иным, чем при облучении в искусственно созданных условиях лабораторного эксперимента.
Радиоактивные изотопы, проникая в организм, могут надолго задерживаться в нем и вызывать облучение различных органов и тканей. В условиях длительного поступления живые организмы выступают в качестве аккумуляторов радиоактивных веществ, в результате чего концентрация активности в организме нередко становится выше, чем в окружающей среде.
На суше накопление радиоактивных изотопов животными пропорционально плотности загрязнения биогеоценоза продуктами радиоактивного распада, в частности 137Cs и 90Sr. Степень увлажненности сухопутных ценозов, также может оказывать определенное влияние на уровень концентрации радиоизотопов в популяциях животных. Крупные травоядные млекопитающие, обитающие в высокогорных условиях, накапливают радионуклиды в больших количествах, чем животные, живущие на равнине.

Подвижность животных, определяющая характер пребывания вида на территории, будет существенно влиять на степень их контакта с загрязненным биогеоценозом. В этом случае более высокие концентрации радиоактивных элементов могут быть обнаружены у мелких оседлых животных, имеющих небольшие индивидуальные участки, а самые низкие концентрации – у мигрирующих животных, случайно попадающих на загрязненный участок. Наряду с проблемой миграции радионуклидов по пищевым цепям, существует еще проблема переноса или концентрирования на небольшом участке радиоактивных веществ мигрирующими животными. Вынос некоторого количества радионуклидов с локально загрязненного участка с высоким уровнем радиации в «чистые» биогеоценозы и включения в биологический круговорот возможен, но они, очевидно, невелики.
Таким образом, плотность связей популяций разных видов с загрязненным биогеоценозом и излучателями, аккумулированными его компонентами, зависит от различий в их экологии, особенностей распределения по трофическим уровням и физико-химических свойств радиоактивных выпадений. В основном, этими факторами определяется количество радионуклидов в организме разных видов и во внутрипопуляционных группах.

Особенность перехода радионуклидов между звеньями «пищевой» цепи определяет соответствующий коэффициент дискриминации (от лат. discriminatio - «различение») или различимости. Для Sr-90 и Cs-137 он рассчитывается по формулам:
Для более полной характеристики радиационной ситуации на территории хозяйства, в котором проводится отбор проб, обязательно рассчитывают коэффициент дискриминации. Он показывает передвижение, распространение и аккумулирование (накопление) радионуклидов во всех звеньях биологической цепи.
В «пищевых» цепях, переходя от звена к звену, радионуклиды количественно изменяются, что можно рассчитать по выше приведенным формулам.

Отношение содержания Sr 90 к Са в биологических объектах получила название стронциевой единицы (с.е.).
Аналогично этому было введено понятие цезиевой единицы (ц.е.) - единицы содержания радиоизотопа Cs137 в биологических объектах, соответствующей содержанию 1 мкКи Cs137 на 1 г калия, входящего в состав данного объекта:
При наличии дискриминации радиостронция или радиоцезия в пользу соответственно кальция или калия этот коэффициент меньше единицы. Если же он больше единицы, это свидетельствует об интенсивном депонировании радионуклидов в каждом последующем звене «пищевой» цепи.
Это может быть следствием радиоактивного загрязнения окружающей среды, когда идет выброс радионуклидов из почвы с земной массой накопления их. В обычных условиях это происходит при дефиците химически родственных элементов, выступающих в качестве конкурентов кальция и калия.

Стронций и кальций, цезий и калий являются химически родственными и в биологических средах ведут себя сходным образом. Однако, при миграции по звеньям «пищевой» цепи «почва…-…человек» оба элемента аккумулируются в разной степени: в большей - стабильные изотопы. Это, по-видимому, связано с тем, что в обменных процессах, в первую очередь, принимают участие необходимые для организма стабильные изотопы, а при их недостатке в процесс вступают их радиоактивные изотопы-аналоги. В этом проявляется принцип конкурентности.