ЛЕКЦИЯ 13 НАКОПЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В БИОТЕ

Концентрирование радионуклидов в живом веществе, коэффициент накопления. Наземные и водные пищевые цепи. Поглощение и распределение радионуклидов в растениях. Использование концентрирующих свойств почвы и биоты в методах реабилитации загрязнённых территорий. Перенос радионуклидов в тело животных и включение их в метаболизм. Радиоэкологически значимые радионуклиды в пищевых цепях.

В состав тканей живых организмов входит большое количество химических элементов. Стабильность элементарного химического состава обеспечивается за счет обмена веществ между организмом и внешней средой. В окружающей среде, загрязненной радиоактивными изотопами, последние принимают участие в процессах обмена наряду со стабильными. Особенно это касается биогенных элементов (C, H, O, S, P, N). Поэтому все живые вещества (растения, животные, человек) способны накапливать в себе радионуклиды за счет обменных процессов.

Накопление радионуклидов (кумуляцию) в живом веществе планеты (биоте) оценивают коэффициентом накопления:

Кн	Концентрация в живом организме .
	Концентрация в окружающей среде

Накопление происходит по пищевым цепям. Вспомним из курса "Экология" строение пищевой цепи. Пищевые цепи – это последовательный перенос вещества и энергии. В последовательности переноса веществ и энергии от одной группы организмов к другой различают трофические уровни (рис. 25). Первый трофический уровень составляют продуценты (растения), так как питаться солнечной энергией могут только они. На всех остальных уровнях – травоядные, первичные хищники, вторичные хищники и т. д. – идёт расход первоначально накопленной энергии на поддержание обменных процессов.

Человек

Животные

Растения

Рис. 25. Пищевая пирамида

Согласно правилу биологического усиления, чем к более высокому трофическому уровню принадлежит живое вещество, тем большее количество радионуклида или любого другого вредного вещества (синтетического яда), не участвующего в нормальном обмене веществ, в нем накопится.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	115

Пищевые цепи бывают водные и наземные. В основе водной пищевой цепи лежит фитопланктон – плавающие мелкие или большие растения. Он превращает минеральные вещества из водной среды в пищу для высших растений. Фитопланктон служит пищей для зоопланктона, а также является источником пищи для некоторых видов рыб и хищных животных. Зоопланктон в свою очередь обеспечивает основное питание организмов более высоких трофических уровней. Кроме биогенных элементов в живой ткани присутствуют Ca, Na, K, Fe, микроэлементы Zn, Cu, I, Co и др. Они присутствуют в меньших количествах, но не менее важны для жизненных процессов. Фитопланктон обладает способностью концентрировать эти элементы до уровня, необходимого для обеспечения нормального метаболизма.

В пресной воде, где концентрация минеральных компонентов во много раз ниже, чем их концентрация в морской воде (нет конкуренции) фитопланктон обладает большей концентрационной способностью. Например, коэффициент накопления 90Sr водорослями из морской воды равен KH=20, а из пресной воды – 5 105, коэффициент накопления железа рыбой в реке – 105, в океане – 103 [30]. Фитопланктон хорошо концентрирует наведенную активность 65Zn, 60Co, 55Fe, 56Мn, лучше, чем продукты деления.

Для человека важно, в какой части организма животных и растений происходит концентрирование радиоактивных изотопов. Когда радионуклид находится в той части организма, которая съедобна – это более опасно для человека, чем накопление в несъедобной части. Устрицы, моллюски, крабы накапливают 90Srв раковинах, которые не используются в пищу, а 65Zn и 60Co концентрируются в съедобных тканях морских организмов.

Наземные пищевые цепи: почва – растение – человек или почва – растение – животное – человек. К животным и человеку радионуклиды попадают в основном через растения, если не учитывать прямого попадания радиоактивных аэрозолей на поверхность кожи в результате аварии. Среди путей загрязнения растений радионуклидами можно выделить три:

корневое усвоение;

прямое отложение радиоактивных веществ на поверхности растений;

абсорбция листвой растворенных радионуклидов.

В предыдущей лекции были подробно рассмотрены факторы, влияющие на фиксацию радионуклидов в почве. Наличие радионуклидов в почве обуславливает их корневое усвоение растениями. За счет обменных процессов из почвы радионуклиды попадают в растения, а из них с кормами и продуктами питания – в организм человека и животных.

Радиоактивные изотопы, находящиеся в почвах, переходят в корневые системы растений так же, как и нерадиоактивные изотопы этих же элементов. На процесс поглощения корнями влияют два фактора – почва и растение. Радионуклиды элементов, естественно присутствующих в почвах и принимающих участие в метаболизме растений, поглощаются вне

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	116

зависимости от их радиоактивных свойств. Растения не способны различать элементы, сходные в химическом отношении. При выращивании растений на простых неорганических растворах, содержащих кальций и стронций, было показано, что явления дискриминации при этом не наблюдается. Нет преимущественного усвоения растениями одного элемента относительно другого, являющегося его химическим аналогом.

Химический элемент может быть необходим для нормального обмена веществ растения или, наоборот, потребность в нем отсутствует. Такие элементы, как I, Co, U, Ra, входят в состав растений, хотя их роль в метаболизме не ясна. Однако очевидно, что если катион содержится в почве, то он содержится и в тканях растений, произрастающих на этой почве. Данные о способности корней различных видов растений поглощать из раствора разные радионуклиды, как правило, получены в результате экспериментов по выращиванию растений в растворе в тщательно контролируемых условиях. К сожалению, такие данные не всегда являются объективными и не могут дать полную информацию о поглощении радионуклидов растениями из-за отсутствия сведений о распределении радионуклидов между «недоступными» и «доступными» фракциями почвы. Поглощение корнями не во всех случаях объясняется физическими и химическими процессами. Степень, с которой радионуклид усваивается растениями, зависит от его химической формы, физиологических потребностей растений и физико-химических свойств почвы. Из основных свойств почвы, влияющих на поглощение радионуклидов, следует отметить: рН, способность к катионному обмену, содержание и состав органического вещества, содержание и состав глин. Нередко поглощение зависит от биологических факторов, например наличия или отсутствия тесно связанных с корнями микроорганизмов (микориза) или от выделения и поглощения молекул-переносчиков на поверхности корня.

Относительное накопление растениями различных радиоэлементов из почв выглядит следующим образом [30]:

Sr >> I > Ba > Cs, Ru > Ce > Y, Pm, Zr, Nb > Pu.

В дополнение к корневому усвоению может происходить прямое отложение радиоактивных веществ на поверхности растений. В случае аварии наиболее важным становится прямое загрязнение растительности радиоактивными аэрозолями. Радионуклиды могут попадать в организм животных, минуя почвенный путь, непосредственно с загрязненных поверхностей растительного покрова. Опасность от прямого загрязнения сельскохозяйственных растений наиболее велика в период перед уборкой урожая и в период активного выпаса скота.

При прямом загрязнении поверхности растений следует учитывать относительно короткоживущие радиоактивные изотопы. Корневое усвоение

– медленный процесс по сравнению с непосредственным загрязнением пищевых продуктов при поверхностном отложении. Так, например,

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	117

загрязнение 131I через корневую систему маловероятно, так как радиоактивный распад уменьшает возможность перехода изотопа из почвы в растение. Большинство культур – однолетние, поэтому воздействие прямого загрязнения ограничено максимум одним годом. Для многолетних культур влияние внешнего загрязнения может продолжаться в течение многих лет. Радионуклиды переносятся из более зрелых частей растений в более молодые, так что урожай, полученный за счет растений, которые не были прежде в контакте с радиоактивными аэрозолями, может оказаться загрязненным.

Поверхностное отложение радиоактивных веществ возможно не только вследствие выпадения радиоактивных аэрозолей после аварии, но за счёт сухого и мокрого выпадения. В обоих случаях часть радионуклидов поглощается растительностью. Важным фактором при поверхностном отложении радионуклидов является тип поверхности и растительности. Чем более шероховата поверхность, тем активнее идет выведение из атмосферы радионуклидов. Интенсивность выпадений увеличивается в следующем порядке: гладкая поверхность, шероховатая поверхность, невысокая растительность, крупные растения, леса. Разница между самой низкой и самой высокой скоростью выпадения варьируется в пределах 100 [11].

Абсорбция листвой растворенных радионуклидов в литературе освещена слабо. В настоящее время нет ясности относительно механизмов усвоения разных радионуклидов. Предположительно абсорбция листвой может происходить через устьица или кутикулу. Проникновение в устьица водных растворов обеспечивается несколькими механизмами, при этом определяющими факторами служат поверхностное натяжение раствора, смачиваемость и морфологическое строение пор. Проникновение через кутикулу зависит от морфологического строения поверхности и химического состава кутикулы. Чем дольше загрязняющие вещества находятся на поверхности растения, тем выше вероятность их всасывания. Поэтому важным фактором являются атмосферные осадки.

Определенную роль в абсорбции листвой растворенных радионуклидов играют также организмы, которые могут утилизировать находящиеся на поверхности загрязняющие вещества, переводя их в формы, в большей или меньшей степени поглощающиеся листвой.

Абсорбция листвой и перенос 137Сs после аварии на Чернобыльской АЭС имели некоторое значение для фруктовых деревьев и бобовых. Ярким примером послужил обнаруженный перенос 137Сs в плоды лесного ореха [11].

Использование	концентрирующих свойств почвы и биоты
в методах	реабилитации загрязнённых территорий

На способности почвы и растений концентрировать радионуклиды основаны некоторые методы реабилитации загрязненных территорий: удаление радионуклидов посредством удаления загрязненной почвы или

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	118

снижения поглощения. Реализация второго метода начинается с временной фиксации стронция и цезия путем внесения производных полиакрила или карбоксиметилцеллюлозы. Затем высевают клевер или травы, образующие дерн. Дерн задерживает основную долю радиоактивности, при этом он легко удаляется с помощью обычных сельскохозяйственных орудий. Другой эффективный способ снижения поглощения – глубокая вспашка с целью погребения радиоактивных загрязнителей ниже того слоя, в котором находятся корни. После аварии в Кыштыме на ПО «Маяк» были получены хорошие результаты при запашке слоя, загрязнённого радионуклидами, на глубину 50 см.

Альтернативные методы состоят в применении удобрений, извести, торфа, цеолитов и других соединений, которые могут влиять на поглощение радионуклидов. Обычно можно добиться снижения поглощения не более чем в четыре раза. Для уменьшения поглощения 90Sr полезны меры, приводящие к росту рН, например, внесение извести.

Перенос радионуклидов в тела животных и включение их

вметаболизм

Внастоящее время имеется обширная литература о поглощении, распределении и удержании радионуклидов в телах животных. Большая часть этих работ была проделана для создания моделей оценки дозы, получаемой человеком при дыхании и поглощении радиоактивных веществ с пищей.

Основными путями поступления радионуклидов в организм животных, как и в организм человека, являются поступление через дыхательные пути с загрязнённым воздухом, через желудочно-кишечный тракт с пищей и водой, через кожные покровы. В последующем радионуклиды принимают участие в естественных процессах метаболизма.

Динамика накопления радионуклидов в организме животного будет определяться:

режимом поступления радионуклидов;

периодом полураспада радионуклидов;

биологическим периодом полувыведения.

Режим поступления в организм животного может быть разовым или хроническим. При разовом поступлении содержание радионуклида в организме резко увеличивается с последующим постепенным уменьшением. При хроническом поступлении динамика накопления определяется более сложным соотношением процессов поступления и выведения радионуклидов из организма, приводящим к равновесному состоянию.

Основная часть радионуклидов попадает в организм животного по пищевым цепям. В литературе также приводятся сведения о значительном загрязнении кожных покровов животных при выпадении радиоактивных аэрозолей в результате испытаний ядерного оружия. Так, проведение

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	119

испытаний на полигоне Новая Земля, привело к радиоактивному загрязнению северных оленей, обладающих большой поверхностью тела с высокой степенью шероховатости за счёт густой шерсти.

Участие в процессах усвоения и метаболизма принимают как естественные радионуклиды, присутствующие в окружающей среде, так и искусственные. Животные в дикой природе обитают в определённом ареале и имеют относительно постоянный рацион питания. Накопление радионуклидов в теле сельскохозяйственных животных зависит от рациона питания, создаваемого человеком.

Традиционно перенос радионуклидов с пастбища в организм животного анализируют с использованием коэффициента переноса «растение

– животное», который определяют как отношение концентрации радионуклида в мясе или молоке (Бк/кг или Бк/л) к суточному потреблению [концентрация в корме (Бк/кг) х суточное потребление корма (кг/день)]. Значения коэффициента переноса для ряда животных и сочетаний радионуклидов определены на основе полевых данных. Однако эти значения не могут считаться абсолютно достоверными, поскольку существует ряд факторов, делающих их определение затруднительным. При расчёте коэффициента переноса «растение – животное» должны учитываться следующие параметры:

концентрация радионуклида в корме;

суточная норма потребления;

способ питания (косвенно или прямо заглатывается растение животными);

видовой состав растений;

химическая форма радионуклида;

содержание стабильных элементов в корме;

состояние обмена веществ у животных в период наблюдения;

присутствие радионуклида в почве, его химическая форма в почве;

способы земледелия.

Наличие радионуклида в почве, его химическая форма и способы земледелия будут определять переход радионуклида из почвы в растения. Таким образом, значения коэффициентов переноса, полученные на основе полевых исследований, привязаны к химической форме радионуклида и другим конкретным полевым условиям.

Для большей достоверности коэффициентов переноса «растение – животное» обычно их определяют исходя из суммарного потребления за весь период выпаса скота или ту его часть, когда животные питались этим кормом. Хотя даже в этом случае результаты могут оказаться неудовлетворительными, если меняеюся степень загрязнения корма, ежедневная норма потребления и прочие условия.

Наибольший интерес коэффициент переноса «растение – животное» представляет при рассмотрении переноса радионуклидов в молоко, переносу же в мясо уделяется меньшевнимания.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	120

Естественные радионуклиды в пищевых цепях

Поступление естественных радионуклидов в тела животных чаще всего является хроническим. В табл. 22 приведена концентрация естественных радионуклидов в теле сельскохозяйственных животных. Основной вклад в активность дают радионуклиды 210Po, 232Тh и 40K. Общие закономерности накопления радионуклидов и их удельные активности в отдельных органах млекопитающих, птиц и насекомых примерно одинаковы [2].

Таблица 22 Концентрация естественных радионуклидов в теле сельскохозяйственных животных, Бк/кг [2]

Нуклид	В мышцах	В печени	В костях
40K	Крупный рогатый скот
	111	100	17
210Po	0,074	3,2	4,03
226Ra	0,044	0,21	5,5
228Тh	0,044	0,048	2,63
40K	Свиньи
	62,9	60	15
210Po	0,044	1,11	0,63
226Ra	0,044	0,21	0,41
228Тh	0,041	0,15	0,59
40K	Северные олени
	159	150	20
210Po	2,59	3,07	185
226Ra	0,18	0,17	26

Высокое содержание естественных радионуклидов отмечается в теле северных оленей. Источником их питания являются мхи и лишайники, накапливающие большое количество 210Po. Большая разница наблюдается в удельной активности радионуклидов в костях крупного рогатого скота и свиней. Связана она с различием в режиме питания: коровы питаются наземными частями растения, накапливающими 210Pb и 210Po из воздуха, свиньи – корнеплодами, характеризующимися меньшей активностью. 210Po откладывается преимущественно в костях, а 40K – в мышечной ткани, причём его активность выше в молодой, активно функционирующей ткани.

Радиоэкологически значимые искусственные радионуклидыв пищевых цепях

Режим поступления искусственных радионуклидов в тела животных может быть как хроническим, обусловленным глобальным рассеянием

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	121

искусственных радионуклидов, так и разовым, возникшим вследствие радиационной аварии. В аварийных случаях получаемые животными дозы могут быть велики, вплоть до смертельного исхода.

Рассмотрим особенности накопления в телах животных радиоэкологически значимых искусственных радионуклидов.

Йод. Из продуктов деления, попадающих в окружающую среду,

наиболее радиоэкологически опасным	является изотоп 131I (Т1/2=8 дней).	В
растворимой форме он быстро и	почти полностью всасывается	из

желудочно-кишечного тракта, поэтому очень быстро может появиться в молоке. Йод накапливается в щитовидной железе, где происходит его включение в гормоны. Затем происходит его концентрирование в молочной железе. Разные виды животных отличаются по эффективности накопления йода в молоке. В ряду «коза – овца – корова» эффективность убывает. Максимальные концентрации 131I в молоке будут между вторым и четвертым днями, если загрязнение было разовое. Количество 131I в молоке коз и овец будет в 5–10 раз больше, чем в молоке дойных коров.

Стронций – щелочноземельный металл, аналог кальция, поэтому обмен стронция рассматривается относительно обмена кальция. Содержание кальция в рационе оказывает решающее влияние на всасывание стронция из пищеварительного тракта. Перенос кальция через биологические мембраны более эффективен, чем перенос стронция, поэтому кальция в молоке примерно в 10 раз больше, чем стронция. После всасывания в пищеварительном тракте стронций, также как и кальций, может включаться в костную ткань, из которой он выводится крайне медленно. Откладываясь в костях, 90Sr представляет опасность для костного мозга человека. Максимальное содержание стронция в молоке коров, находившихся во время аварии на пастбище, обнаружено на третий – четвертый день, время пребывания в организме около десяти дней. Можно ожидать, что создание избытка кальция в организме приведет к снижению всасывания стронция.

Цезий наряду с калием и рубидием относится к щелочным металлам, поэтому очень легко поглощается и включается в обмен веществ млекопитающих. Также как и калий, он распространяется по мягким тканям тела (мускулам и органам) и попадает внутрь клеток. Однако той же степени взаимосвязи между цезием и калием как между кальцием и стронцием не наблюдается. Всасывание цезия происходит быстрее, если он поступает в организм в растворимой форме в виде хлорида цезия (CsCl) или с молоком. Вследствие этого больше цезия накапливается в теле молодых животных за счет повышенной усвояемости цезия, поступающего с молоком. Известно, что такие факторы, как содержание грубых волокон в корме и наличие заглатываемых глинистых частиц, уменьшают всасывание цезия.

Трансурановые элементы (Pu, Am, Np). Всасывание трансурановых элементов из пищеварительного тракта идет слабо. Накапливаются

актиноиды преимущественно в костях и печени, хотя в последней их обычно несколько меньше. Они очень неактивно переносятся в молоко.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	122

ЛЕКЦИЯ 14 МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В

ПОДСИСТЕМАХ БИОЦЕНОЗОВ

Моделирование процессов переноса радиоактивных микрокомпонентов из раствора в твёрдую фазу. Основы статики межфазного распределения (модель Ленгмюра, формула Генри).

Вещество может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. В радиоэкологии рассматриваются проблемы переноса «газ – жидкость», «газ – твердое вещество», «жидкость – твердое вещество». Эта информация является необходимой для построения прогнозных моделей радиоактивного загрязнения компонентов природных экосистем, а также для оценки динамики радиационной обстановки на загрязненных территориях. Процессы межфазного переноса сложны, действует несколько механизмов переноса.

Под межфазным распределением понимают переход части радионуклида, введенного в одну или несколько фаз гетерогенной системы, в другие фазы этой системы. Все случаи межфазного распределения важны в практическом отношении, однако в данном пособии мы ограничимся рассмотрением основных закономерностей переноса радионуклидов из раствора в твердую фазу.

С процессами переноса «жидкость – твердое вещество» мы сталкиваемся не только в окружающей среде, когда твердая фаза – почва, минералы, донные отложения – концентрирует радионуклиды, но и при переработке жидких радиоактивных отходов, реабилитации загрязненных радионуклидами территорий. В этом случае радионуклиды концентрируются на специальных веществах, называемых сорбентами. Целевым продуктом при дезактивации радиоактивно-загрязнённых природных вод и промышленных растворов является чистый раствор, а концентрат радионуклида идет на захоронение.

Еще одной из сфер применения процессов межфазного распределения является аналитика. Процесс переноса вещества из жидкой фазы в твёрдую используется, например, в методиках анализа водных сред на содержание радионуклидов. Часто содержание радионуклида в воде таково, что не подлежит прямым измерениям на спектрометре. В этом случае из пробы воды радионуклид концентрируют на подготовленной твердой фазе (сорбенте), а затем производят измерения концентрата. Если прямое измерение проб воды невозможно в силу свойств определяемого радионуклида, например -излучателей, у которых -частицы будут поглощаться в толстом слое пробы, то необходимо приготовление тонкослойного источника.

Кафедра радиохимии и

прикладной экологии©	123