2) Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве, растениях, кормах, органах и тканях животных

Среди многообразия форм состояния радионуклидов в почве выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочносвязанную необменную.

Под водорастворимой понимают ту часть радионуклидов , которая растворяется из почвы дистиллированной водой.

Радионуклиды в обменной форме растворяются раствором ацетатата аммония, в необменной форме - раствором соляной кислоты. Радионуклиды в необменной прочносвязанной форме могут экстрагироваться только смесью плавиковой и азотной кислот.

Среди этих форм наибольшую роль играют первые две, поскольку они способны усваиваться растениями и, следовательно, мигрировать по биологической цепочке.

Каждый из радионуклидов присутствует в почве в водорастворимой, обменной и необменной формах одновременно однако соотношение между этими формами для разных радионуклидов существенно различается.

Биологическая подвижность радионуклидов (способность мигрировать по пищевым цепочкам) зависит, с одной стороны, от их физико-химических свойств, а с другой стороны, от свойств самой почвы, среди которых решающее значение играет ее тип, минеральный состав, кислотность, содержание органических веществ, увлажненность, длительность ее использования в агроэкосистемах и т. д.

Наибольшей доступностью для растений обладает стронций, который на 73,7% в глобальных выпадениях находится практически полностью в водно-растворимой форме, ¹³⁷Cs (цезий) - в пределах 44,9%, а ¹⁴⁴Се (церий) - около 13%. Радионуклиды ред­коземельных элементов, а также ¹⁸⁵W и ⁹⁵Zr (Цирконий) находятся в выпадениях как в водно-растворимой, так и в нерастворимой формах, причем для ⁹⁵Zr(Цирконий) и ¹⁴⁴Се характерно преобладание нерастворимой формы. Свойства радионуклидов редкоземельных элементов, а также радионуклидов из группы нейтронной активации (⁵²Mn, ⁵⁴Mn, ⁵⁵Fe, ⁵⁸Со, ⁶⁰Со) таковы, что почти все они в воде образуют малорастворимые соединения (А. Н. Сироткин).

Большое влияние на доступность растениям радионуклидов оказывает наличие в ней обменных катионов - элементов-носителей и кислотность. Чем больше в почве элементов носителей, тем меньше биологическая подвижность радионуклидов, и наоборот: закисление почв приводит к увеличению доступности радионуклидов для растений. Практически весь радиоактивный стронций находится в почве в подвижной форме (до 98%), в то время как основная часть цезия сорбируется в почве достаточно прочно и лишь 1% его может переходить в водную вытяжку и менее одной трети — в раствор ацетата аммония.

Попавшие в растения радионуклиды распределяются в них по-разному. Одни концентрируются в корнях, другие - в надземной части растений, преимущественно в стеблях, листьях, семенах и т. д. Причем в растениях они находятся в виде подвижной фракции (диализуемой) и связанной со структурно-функциональными компонентами. Чем больше в растениях свободной фракции радионуклидов, тем более они доступны для усвоения организмом моногастричных животных. Для полигастричных, ввиду особенностей их пищеварения, эти взаимоотношения гораздо сложнее.

К примеру, в растениях до 50...80% поступившего радиостронция связано с гемицеллюлозой и крахмалом, 6...40% и находится в легкорастворимой форме и менее 10% связано с клетчаткой и другими компонентами. Цинк в кормах, богатых фитатами, представлен в форме кальций - цинк - фитата, и в такой форме очень трудно усваивается поросятами.

Радиоизотопы таких микроэлементов, как Сu, Со, Cl, Fe,Мn, могут находиться в кормовых продуктах в форме металлоорганических или хелатных комплексов, стабильность которых существенно сказывается на всасывании элементов. Естественно, что металлы из хелатов, обладающих меньшей стабильностью, всасываются лучше.

В крови они находятся преимущественно в форме очень лабильно связанных с белками структур, при этом ⁴⁵Са и ⁹⁰Sr, несмотря на их химическую близость, связываются белками сыворотки крови в разных количествах. Кальция, связанного в крови с белками, примерно в 2 раза больше, чем стронция. В крови 0,3% ⁹⁰Sr связано еще с лимонной кислотой, а основное его количество находится в форме катиона. Напротив, представители редкоземельных элементов (⁹¹Y (Иттрий) и ¹⁴⁴Cе (Церий)) характеризуются достаточно сильно выраженной способностью к комплексообразованию и связыванию с белками.

Такие радионуклиды, как ²²Na, ⁴²K, ¹³⁷Cs (цезий), практически не связаны с белками в сыворотке крови. Нуклиды ⁹¹Y (Иттрий) и ¹⁴⁴Cе (Церий) находятся в основном в глобулиновой фракции (> 99,0%), а ⁴⁵Са и ⁹⁰Sr (33,0 и 19,7%) - в альбуминовой. При этом ⁹¹Y (Иттрий) связывается преимущественно бета-глобулинами, ¹⁴⁴Cе (Церий) - альфа-глобулинами, а в альбуминах оба элемента практически отсутствуют. Электрофоретические исследования сыворотки крови показали, что 140La связан в основном с альфа-глобулином, ⁴⁶Sc (Скандий) - c бета-глобулинами плазмы. Белок крови, связывающий железо (трансферин), - главный белок, транспортирующий Рu⁺⁴ (Плутоний) у млекопитающих. В противоположность этому связь Am⁺³ (Амерций) и Cm⁺³ ( Кюрий) с сывороточными белками является слабой и неспецифической. В первые 6...12 ч после затравки животным ²³⁹Рu очень быстро и избирательно концентрируется в печени, интенсивно связываясь с ферритином (около 63%). В целом, в белки и нуклеиновые кислоты включается 92% общего количества плутония, концентрирующегося в печени, образуя с ними довольно устойчивые комплексы. Экскретируется ²³⁹Рu в значительных количествах с желчью, на 75% находясь в ней в свободном состоянии.

Чем выше комплексообразующая способность нуклидов с белками, тем меньшая доля элементов переходит из организма матери через плацентарный барьер в организм плода. При взаимодействии с химическими элементами белки могут их восстанавливать или окислять, адсорбировать своей поверхностью или образовывать сложные комплексы. Различные белки по-разному связывают один и тот же элемент. Например, соединения меди с альбуминами, трансферином и бета-глобулинами легко диссоциируют, а с церруплазмином образуют прочные комплексы. Цинк циркулирует в крови в двух формах: слабо связанной с альбуминами и прочно связанной с альфа-глобулинами.

Способность белков сыворотки крови и тканей связывать радионуклиды образует следующий специфический ряд: ²²Na = ¹³⁷Cs = ⁴⁰K < ⁹⁰Sr < ⁴⁵Ca < ⁹¹Y(иттрий) = ¹⁴⁴Се (церий).

Изменение температуры не оказывает существенного влияния на связь ⁴⁷Са, ⁸⁵Sr, ¹³³Ва и ²²⁶Ra (Радий), а увеличение рН значительно сдвигает равновесное состояние в сторону упрочнения связи. Быстрый выход из крови редкоземельных элементов объясняется, по-видимому, тем, что их простые соли в крови находятся в виде коллоидных частиц или белковых комплексов, которые быстро захватываются ретикулоэндотелиальными клетками.

Иттрий и церий, в отличие от стронция, связываются, главным образом, с органическим матриксом кости, а не с минеральной фракцией. Иттрий и церий, связываясь с декальцинированным органическим веществом кости, не принимают участия в обмене кальция или это участие весьма незначительно. Введенный в организм ¹⁴⁴Се (церий) быстро проникает в костную ткань и свыше 90% его откладывается в коллагеновых волокнах кости, а ⁹¹Y (иттрий), и ¹⁷⁰Tu (Тулий) связываются в костной ткани в основном с минеральной фракцией.

Цезий в костной ткани локализуется на поверхности кристаллов, не включаясь в кристаллическую решетку, поэтому процесс варки костной ткани в составе мяса рыбы и животных способствует переходу (до 70...80%) радионуклида бульон. Следовательно, в случае загрязнения мяса животных и рыб ¹³⁷Cs можно существенно снизить поступление радионуклида в рацион человека, удаляя бульон.

При оценке физико-химического состояния стронция в молоке коров оказалось, что он, подобно кальцию, на 70...80% связан с казеином и около 20% в виде фильтрующейся формы. Причем стронций связан с казеином молока прочнее, чем кальций. В крови характер связи этих ионов имеет противоположную направленность.