Оглавление
Введение
. Пути поступление радионуклидов во внешнюю среду
. Закономерности перемещения радиоактивных веществ в биосфере
. Состояние радионуклидов в воде, почве и кормах
4. Миграция радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам
. Поступление радионуклидов в молоко животных
. Поступление радионуклидов в яйца кур-несушек
. Факторы, определяющие степень биологического действия радиоактивных изотопов
. Накопление радионуклидов в органах и тканях
Заключение
Библиографический список
Приложение
Введение
С развитием атомного производства и применением атомной энергии возникло новое научное направление - радиоэкология и радиобиология. Радиоэкология сельскохозяйственных животных - изучает закономерности и механизмы миграции радионуклидов в пищевых цепях, принципы их экологического нормирования, а также действие ионизирующих излучений на организм животных. Это вызвано тем, что продукция животноводства - важнейший источник снабжения населения продовольствием, а легкой и пищевой промышленности - сырьем. Продукты животного происхождения (молоко, мясо, яйцо и др.) могут быть основными источниками поступления радионуклидов в организм человека и дополнительного его облучения. Поступление с мясом радиоактивных продуктов деления (Sr, Cs и др.) в рацион человека может достигать 25%, а с молоком - 100% суммарного потребления с пищей. Данные радиобиологии используются для рационального планирования и проведения оперативного и текущего контроля за радиоактивным загрязнением внешней среды, а также для разработки научно обоснованных методов снижения поступления радионуклидов в корма и продукцию животноводства.
Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации от естественных (космическое излучение и природные радиоактивные вещества) и искусственных (отходы атомной промышленности, радиоактивные изотопы, используемые в биологии, медицине и сельском хозяйстве и др.) источников ионизирующих излучений. Радионуклиды широко распространены в природе; они рассеяны в земной коре, воде, воздухе, растениях и теле животных. К радионуклидам естественного происхождения относят те, которые образовались на Земле без участия человека. Это долгоживущие изотопы I, U, Ra, Th, K и др. В почве, воде, воздухе, строительных и других материалах всегда рассеяны природные радионуклиды. Совместно с космическим излучением они и создают природный радиоактивный фон, постоянно облучая все живые организмы на Земле.
Природные радиоактивные вещества. Их разбивают на три группы. В первую группу входят U и Th с продуктами их распада. Ко второй группе относят малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: Са, Zr, In, Sn, Те, и др. К третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы С, Li, Be. Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является Rb, содержание которого выше содержания урана, тория и К. Однако радиоактивность К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов: Rb характеризуется мягким бета-излучением и имеет большой период полураспада, а распад K сопровождается относительно жестким бета - и гамма-излучением. Изотоп К широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки. Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных земных пород у поверхности Земли колеблется в пределах - 0,3-12 мГр/год. Однако имеются районы (например, в Бразилии, Индии), где вследствие выхода на поверхность Земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона в 100-500 раз выше среднемирового фона. У обитающих в этих районах животных (например, самцов полевок) обнаружены хромосомные аберрации, дегенерация в зародышевом эпителии половых желез (особенно у молодых особей), заторможенное половое созревание и стерильность половозрелых самцов (у 60%). Т. к. земные породы используют в качестве строительного материала, то от них зависит гамма-радиация внутри зданий. Наибольшие значения радиации установлены в домах из железобетона с глиноземом - 2 мГр/год, наименьшие - в деревянных домах - 0,5 Гр/год. Радиоактивность воде придают в основном U, Th и Ra, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами. Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (радон, торон, С, тритий) или в виде аэрозолей (K, уран, радий и др.).
Из естественных радиоактивных веществ, содержащихся в растениях, наибольшая удельная активность K. Это относится особенно к бобовым растениям - гороху, бобам, фасоли, сое. В животных организмах обычно содержится К меньше, чем в растениях. Уран, торий и С встречаются в биологических объектах в незначительных концентрациях по сравнению с К. Таким образом, на организм животных оказывают воздействие внешние источники природного радиоактивного фона - космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах. Среднегодовая доза для человека составляет около 1,2 мГр на гонады и 1,3 мГр на скелет и считается безопасной.
Радионуклиды искусственного происхождения образуются в результате деятельности человека по использованию атомной энергии, испытаний и применения ядерного оружия, ядерного синтеза с помощью специальных установок и источников излучений и т. д. При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (U, Pu) возникающая в результате действия на них нейтронов. Нейтрон попадает в ядро элемента, например изотопа U, и приводит к образованию сильно возбужденного ядра. Оно делится на два или три асимметричных ядра - осколка. Весь этот процесс происходит мгновенно. Во время каждого акта деления освобождается энергия порядка 200 МэВ. Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Другие радионуклиды, такие, как Rb, Sr, Cd, Sn, Те, "Xe, Cs, Ba, обладают периодом полураспада в несколько дней, a Ki, Sr, Ru, Pm, Sm, - от одного года до нескольких десятков лет. Захват нейтронов ядрами многих химических элементов приводит к появлению радиоизотопов атмосферном воздухе, воде, почве и др.), в материалах сооружений и т. п.
Искусственные радионуклиды получают
и используют в таких количествах, что возникающее при этом излучение имеет интенсивность,
в миллионы раз превосходящую интенсивность естественных источников излучения.
Они попадают в окружающую среду, повышая тем самым радиационный фон. Кроме
того, они включаются в биологические системы и поступают непосредственно в
организм животных и человека. Все это создает опасность для нормальной
жизнедеятельности животного организма. Человек сталкивается также с
искусственными источниками радиации, не связанными с загрязнением внешней
среды. К ним относятся рентгеновские установки, ускорители элементарных частиц,
закрытые источники радиоактивных изотопов, использующиеся в медицине,
промышленности и научно-исследовательской работе.
1. Пути поступление
радионуклидов во внешнюю среду
Радиоактивные вещества поступают во
внешнюю среду в результате испытаний ядерного и термоядерного оружия, в
качестве отходов промышленных и энергетических реакторов и в результате
аварийных ситуаций на этих установках, в результате транспортировки и хранения
радиоактивных отходов. Химические свойства радионуклидов обусловлены местом
расположения элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Высокой
химической активностью обладают радионуклиды элементов I группы и галогенов,
которые не образуют труднорастворимых соединений, менее подвижны нуклиды
щелочноземельных элементов. Наименьшей химической активностью обладают
радионуклиды редкоземельных элементов, таких, как цирконий и ниобий, а также
радионуклиды трансурановых элементов. При радиационных авариях на атомных
электростанциях происходит выброс в окружающую среду большого количества
радиоактивных веществ, которые загрязняют среду обитания всего живого на Земле,
в том числе и сельскохозяйственные угодья.
. Закономерности перемещения
радиоактивных веществ в биосфере
Радиоактивные продукты ядерного деления, выпадая либо сами по себе («сухие» осадки) или чаще с атмосферными осадками («мокрые» осадки), а также радиоактивные отходы включаются в компоненты биосферы - абиотические (почва, вода) и биотические (флора, фауна) и принимают участие в биологическом цикле круговорота веществ. Наиболее короткий путь поступления радиоактивных продуктов в организм человека кроме непосредственного попадания из атмосферы - через сельскохозяйственные растения и животных.
Из радиоактивных продуктов деления в
первый период наибольшую опасность представляют изотопы йода вследствие
высокого содержания и значительной биологической токсичности. Далее изотопы Sr
и Cs из-за их относительно высокой энергии излучения, большого периода
полураспада и способности активно включаться в биологический круговорот веществ
(почва - растения - животные - человек). Эти изотопы способны надолго
задерживаться в организме человека и животных. Содержание Sr по отношению к
кальцию в почвах, растениях, молоке и тканях животных выражают в стронциевых
единицах. Под стронциевой единицей понимают отношение активности Sr,
содержащегося в 1 кг исследуемого образца, к концентрации в нем кальция.
. Состояние радионуклидов в
воде, почве и кормах
Среди многообразия форм состояния радионуклидов в почве выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочносвязанную необменную. Среди этих форм наибольшую роль играют первые две, поскольку они способны усваиваться растениями и мигрировать по биологической цепочке. Биологическая подвижность радионуклидов зависит от их физико-химических свойств, от свойств самой почвы (ее тип, минеральный состав, кислотность, содержание органических веществ, увлажненность, и т. д.). Наибольшей доступностью для растений обладает стронций, Cs, Се. Большое влияние на доступность радионуклидов для растений оказывает наличие в почве обменных катионов и кислотность. Чем больше в ней катионов, тем меньше биологическая подвижность радионуклидов, и наоборот. Закисление почв приводит к увеличению доступности радионуклидов для растений. С течением времени обменно-связанные радионуклиды могут превращаться в слаборастворимые соединения - фосфаты и карбонаты, в результате чего их миграционная способность может снизиться.
В почве Sr связывается в основном за счет ионного обмена и сильно зависит от присутствия катионов Al, Fe, Ba, Ca, Mg. При увеличении в почве концентрации анионов фосфорной, серной и угольной кислот сорбция стронция возрастает в результате образования труднорастворимых соединений с этими анионами. Глинистыми минералами почв может быть сорбировано до 99 % Sr. Органические вещества также оказывают существенное влияние на поведение этого нуклида, в частности он хорошо связывается с сульфокислотами почв, что также снижает его способность к биологической миграции. Попав в почву, радионуклиды способны мигрировать в горизонтальном и вертикальном направлениях. При загрязнении цезием дерново-подзолистых песчаных почв около 40% его находилось в верхнем 4-сантиметровом слое. Остальные 60% равномерно распределялись глубже по профилю. Большая подвижность радиоактивного цезия определяется тем, что это изотоп щелочного элемента - химического аналога важнейшего биогенного элемента калия, который в природных системах служит носителем изотопов цезия. В почвах, обогащенных органическими веществами (почвы естественных низинных болотных экосистем), цезий способен проникать на большую глубину (70-90 см). Микроорганизмы почвы снижают подвижность радионуклидов в биологическом круговороте. Изменение температуры не оказывает существенного влияния на связь Ca, Sr, Ba и Ra, а увеличение рН значительно сдвигает равновесное состояние в сторону упрочнения связи.
Радиоактивные вещества, попадая из атмосферы на земную поверхность, могут поступать в растения, оседая на их надземных частях. Одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития. Загрязнение рек, озер и других водоемов происходит в результате оседания радионуклидов на их поверхности и путем смыва их дождевыми осадками, паводковыми и другими водами. Естественный травостой и сеяные многолетние травы удерживают 20-40% выпавших нуклидов. На пашне сразу после выпадения более 97% радиоактивных веществ сосредоточивается в верхнем двухсантиметровом слое. В дальнейшем происходит постепенная миграция радионуклидов в глубь почвы.
Загрязнение растений радиоактивной
пылью происходит при поднятии ее с поверхности земли ветром, пасущимися
животными, при разбрызгивании каплями дождя и обработке или уборке урожая
сельскохозяйственными машинами. При некорневом загрязнении растительности
переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как
правило, выше, чем при корневом поступлении. Для оценки перехода радионуклидов
из выпадений в кормовые культуры, организм сельскохозяйственных животных, в
получаемую продукцию применяют коэффициенты пропорциональности. Эти
коэффициенты характеризуют взаимосвязь концентрации радионуклидов в кормах или
продуктах животного происхождения с уровнем выпадения их из атмосферы. При
глобальных выпадениях наиболее высокие концентрации радионуклидов
обнаруживаются в продукции растениеводства меньшие - в продукции
животноводства. Концентрация Sr и Cs в кормах превосходит концентрацию в молоке
соответственно в 100 и 30 раз, в мясе - в 50 и 10 раз. Наибольшей подвижностью
в цепи «воздух - растение - животные - продукция животноводства» обладают Sr,I
и Cs, менее подвижны Ru, Се.
. Миграция радионуклидов по
сельскохозяйственным цепочкам
Скорость и размеры корневого усвоения радионуклидов растениями определяются растворимостью радиоактивных веществ, и физиологическими особенностями растений. У травянистых видов идет значительное накопление изотопов цезия и стронция. Растения естественных кормовых угодий всегда характеризуются более высокой удельной радиоактивностью, чем сеяные травы и различные сельскохозяйственные культуры. Объясняется это тем, что радионуклиды в почвах естественных кормовых угодий сосредоточены в основном в слое до 5 см, создавая там высокую концентрацию радиоактивных изотопов в единице объема почвы. При перепашке почвы концентрация радионуклидов снижается и создаются условия для их меньшей усвояемости растениями. Это подсказывает путь улучшения естественных кормовых угодий в условиях радиационного загрязнения. За счет корневого поступления в основном происходит накопление радионуклидов и в древесине. Так, через 6 лет после чернобыльских выпадений содержание радионуклидов в древесине возросло в 5-15раз. По способности к накоплению растениями радионуклиды образуют ряд: Zn > Sr, Cs, Fe > Се, Ru, Zr > Pu, Pm, Y, U.
По интенсивности поступления из
водных растворов в растения пшеницы радионуклиды располагаются в следующем
порядке: Cs > Sr > Се > Ru > Zr. Переход радионуклидов из почвы в
растения во многом определяется их видовыми и сортовыми особенностями (строение
корневой системы, характер метаболизма). Наибольшей способностью накапливать Cs
отличаются травостои естественных пастбищ и сенокосов. Поглощение радионуклидов
растениями из почвы зависит также от ее состава. Почвы тяжелого гранулометрического
состава отличаются большей поглотительной способностью, чем легкие. Поступление
Cs в растения из торфянистых почв больше, чем из минеральных, в несколько раз.
Перенос питательных веществ между трофическими уровнями называют пищевой цепью.
Механизмы, с помощью которых растения и животные получают необходимые для их
роста неорганические вещества из почвы, аналогичны тем механизмам, посредством
которых радионуклиды поступают в биологические системы. Таким образом,
естественные и искусственные радионуклиды стабильных химических элементов также
циркулируют в биосфере по характерным биологическим цепям, проникая из внешней
среды в организмы, а затем снова возвращаясь во внешнюю среду.
5. Поступление радионуклидов в
молоко животных
При пастбищном содержании и кормлении коров поступление изотопов в молоко происходит наиболее интенсивно, особенно в условиях внешнего загрязнения растений. При среднем уровне травостоя корова в сутки потребляет корм со 160 м2 пастбища. В таких условиях максимальная концентрация I в молоке наблюдается на 5-е сутки после выпадения. Прогнозируемое поступление радионуклидов в корма, молоко и мясо можно определить по формуле:
=KvFv
где С - содержание i-го радионуклида в кормах или продуктах животноводства, Бк/кг; Кv - воздушный коэффициент пропорциональности при выпадении за месяц, (Бк/кг)/(Бк/м2); Fv - интенсивность выпадения за месяц i-го радионуклида, Бк/м2.
Так как содержание радионуклидов в
продукции животноводства находится в прямой зависимости от содержания их в
растениях и почвах, то для составления прогноза вероятного поступления
радионуклидов в рационы животных необходимо располагать количественными
характеристиками, связывающими концентрацию радионуклидов в почвах, кормах и
продукции животноводства. Эта связь осуществляется с помощью коэффициента
перехода, под которым понимают отношение содержания радионуклида в каждом
последующем звене пищевой цепочки к предыдущему. По отношению к
дерново-подзолистым и торфяно-песчаным почвам коэффициент перехода Cs из
дерново-торфяно-иловато-болотных почв в 3,5, из суглинистых, торфяно-болотных
почв в 48, а из темно-серых почв в 64 раза меньше. При хроническом поступлении
с кормом Sr в 1 л молока его переходит до 0,2% по отношению к поступлению с
рационом. При этих условиях в молоко коров переходит 0,25-1% Cs. На эти
показатели большое влияние оказывают тип кормления коров, состав корма,
продуктивность животных и т. д. Усвояемость организмом радиоактивного цезия из
смешанного рациона выше, чем из сенного, вследствие разной степени его доступности.
При одинаковом содержании Sr и Cs в почве концентрация стронция в траве
получается примерно в 10 раз выше, чем цезия. Содержание щелочных и
щелочноземельных радионуклидов в мышечной и костной тканях выше, чем в
получаемом от этих животных молоке.