Основы радиационной экологии

Лимфоидная ткань обедняется клеточными элементами раньше, чем ткань костного мозга. Число нейтрофилов при одной и той же дозе облучения снижается медленнее, чем число лимфоцитов. При лучевой патологии наблюдаются морфологические изменения белой крови, гиперсегментирование, фрагментация ядер. Лейкоциты набухают, увеличиваются их размеры и зернистость, накапливаются пигменты, структура ядра разрыхляется и т. д. Вслед за снижением числа нейтрофилов уменьшается число тромбоцитов, что приводит к увеличению времени свертывания крови. Клетки крови и ее плазма обладают сравнительно высокой устойчивостью к действию ионизирующей радиации. Биохимические сдвиги в крови облученных животных отчетливо выражены лишь в разгар лучевого поражения, оставаясь на начальных этапах поражения малозаметными. Кровь постепенно теряет способность снабжать ткани достаточным количеством кислорода, и в результате гипоксии организм погибает.

Наиболее существенное в лучевых изменениях желудочно-кишечного тракта - быстрое и глубокое опустошение тканей. Так, клеточное опустошение в кишечнике крипт уже завершается на первые-вторые сутки, а ворсинок - на третьи-четвертые сутки после облучения мышей. Если облучение производится в небольших дозах, то уже на пятые сутки можно наблюдать восстановление клеточного эпителия. Для желудочно-кишечного синдрома характерен следующий комплекс нарушений, определяющих гибель организма: поражение эпителия, деструкция крипт и ворсинок, инфекционные процессы за счет кишечной флоры, закупорка и поражение кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов, изменение активного транспорта, возрастание активности ферментов автолиза, изменение других ферментативных процессов, снижение проницаемости кишечника для питательных веществ. Нарушения в желудочно-кишечном тракте развиваются в соответствии с тяжестью лучевого поражения, являясь в отдельных случаях даже причиной гибели организма при костномозговом синдроме.

Центральная нервная система (ЦНС) - наиболее радиоустойчивая из всех критических систем. Ее решающая роль в летальном исходе лучевого поражения проявляется при действии массированных доз ионизирующей радиации. В ответ на облучение ткань мозга реагирует как единая система: прямые поражения нейронных структур и расстройства циркуляции, связанные с поражением стенок кровеносных сосудов, обычно сопутствуют друг другу. Повреждения капиллярных сосудов проявляются в виде набухания эндотелиальных клеток. В отличие от зрелой нервной ткани мозг молодых животных более радиочувствителен, чем другие ткани организма.

Облучение плода в утробе матери в сравнительно невысоких дозах приводит к полному разрушению целых его отделов. Высокая радиочувствительность нервной ткани эмбриона объясняется общей закономерностью, заключающейся в том, что в зависимости от времени формирования и дифференцировки органов и тканей в онтогенезе любые из них становятся крайне чувствительными к радиации независимо от их радиочувствительности во взрослом состоянии.

Оценивая биохимические и морфологические изменения ЦНС, следует отметить необычайно большую разницу в радиочувствительности для различных участков, в том числе и для соседних структур однотипных тканей мозга. Это объясняется тем, что наиболее радиочувствительны те микроструктуры, которые в момент облучения находятся в активном функциональном состоянии. Наиболее значительные изменения претерпевают сосудистые и секреторные условно-рефлекторные реакции, в меньшей степени - двигательные.

Нарушенная деятельность эндокринной системы приводит к глубоким изменениям регуляторных биохимических процессов, иммунобиологических и нейровегетативных реакций, к расстройству гемодинамики, терморегуляции, извращению регуляции и деятельности многих органов и систем.

К наиболее радиочувствительным органам эндокринной системы относятся половые железы. Другие железы внутренней секреции менее чувствительны, располагаясь по мере возрастания радиоустойчивости (по морфологическим признакам) в такой последовательности: надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы и, наконец, паращитовидная железа. Радиоустойчивость этих желез связана с тем, что, их ткани состоят из высокодифференцированных функциональных клеток, практически не способных к физиологической регенерации.

Лучевое поражение семенников сопровождается биохимическими изменениями - снижается содержание нуклеиновых кислот, АТФ, креатина, холестерина, аскорбиновой кислоты, полисахаридов, угнетается сперматогенез. Облучение женских половых желез приводит к нарушениям менструального цикла, изменениям течения беременности, преждевременным родам, мертворождению, патологическому развитию эмбрионов, различным генетическим аномалиям потомства. Отмечено, что если семенники обладают значительной восстановительной способностью, то яичники у взрослой самки полностью лишены этой способности. Поэтому у самок в отличие от самцов стерильность обычно необратима.

Учитывая значение печени как «центральной биохимической лаборатории», ее барьерные функции, местонахождение на пути оттока крови из кишечника и т. д., можно понять причину того большого внимания, которое уделяют радиобиологи этому органу. Исследования показали, что печень высоко радиоустойчива, что связано с ее большой регенераторной активностью. Несмотря на многочисленные и глубокие биохимические изменения в печени облученных животных, все же не они причина непосредственной гибели организма.

Сложность оценки радиочувствительности органов дыхания состоит в том, что они содержат клеточные структуры, значительно различающиеся по устойчивости к радиации. Так, хрящевая ткань воздухоносных путей и плевра радиоустойчивы; лимфатическая ткань и сосудистая система легких, а также бронхиолярцый эпителий и клетки, выстилающие альвеолы, радиочувствительны. В результате общего облучения организма в органах дыхания возникают изменения, находящиеся в полном соответствии с развитием клинических и анатомических признаков лучевой патологии.

Ряд органов и тканей условно называют стабильными в связи с их высокой устойчивостью: морфологические, функциональные и биохимические изменения в них после облучения даже в высоких дозах незначительны. Их способность к физиологической регенерации выражена слабо или практически отсутствует. Однако постлучевые изменения стабильных органов и тканей все же вносят известный вклад в общую картину лучевой патологии. Типично стабильный орган - почки. Обычно поражение почек наблюдается при общем облучении животных в несколько десятков грей. Их высокая устойчивость, вероятно, связана с тем, что обновление почечных клеток либо отсутствует, либо выражено слабо.

Еще более устойчивы к действию ионизирующей радиации мышечная и соединительная ткани. Структурные элементы кожи характеризуются относительно большими различиями в радиочувствительности. Сравнительно высокой радиоустойчивостью обладают костная и хрящевая ткани. Однако в период роста они чувствительны к ионизирующей радиации.

В процессе развития лучевого поражения, особенно в фазе выраженных клинических изменений, резко снижается устойчивость организма к инфекциям: подавляется естественная устойчивость организма к возбудителям инфекционных заболеваний, угнетается приобретенный иммунитет, нарушаются все его формы. Снижение иммунитета при лучевой болезни, угнетение защитных механизмов обусловливаются развивающимися в организме аутоиммунными процессами. Подавление иммунитета в облученном организме представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в основе которого лежит опосредованное действие ионизирующей радиации.

Помимо генетически обусловленных различий, наблюдаемых у объектов из разных филогенетических групп, возможны значительные вариации радиочувствительности у особей одного вида, находящихся в неодинаковых условиях, питания, аэрации, температуры и т.д. Кроме того, степень лучевого поражения организмов связана с возрастом, полом, физиологическим состоянием, интенсивностью различных процессов, активностью метаболических систем и другими факторами.

3. Действие ионизирующих излучений в зависимости от дозы и мощности дозы

Как уже отмечалось, действие ионизирующих излучений зависит от дозы облучения и мощности дозы, а также от вида частиц, обеспечивающих радиационной действие и времени, в течении которого получена определенная доза. Как уже отмечалось выше, радиационное воздействие происходит в любой среде, изменяет свойства любого объекта. В качестве примера можно привести облучение полиэтилена. Облучение изделий из полиэтилена дозами до 10 КГр снижает их механические свойства, способствует их деструкции. Дозы выше 104 Гр образуют трехмерную структуру вещества, повышают механические свойства изделий, у полиэтилена появляются новые свойства. Облучение дозами порядка 107 Гр вновь изменяют свойства полиэтилена, изделие приобретает свойства эластичности, «каучукоподобности».

В отличие от неживых объектов, биологические системы изменяют свои свойства при сравнительно небольших дозах и мощностях дозы. Общие закономерности величин доз, угнетающих жизненные процессы были приведены выше. Однако важное значение имеет не только величина дозы, но и ее мощность.

3.1 Действие малых доз ионизирующих излучений

Понятие «малая доза» неоднозначно. Исходя из приведенных выше различий в радиочувствительности живых организмов логично сделать вывод о различной величине «малой дозы» для разных организмов или периодов онтогенеза. Часто, в соответствии с антропоцентрическим подходом, малыми дозами считают дозы менее 50-100 мЗв однократно или 5-10 мЗв в год. Однако в научно-практических работах по изучению действия радиации на растения к малым дозам относили величины однократного облучения в 10 и более Гр. Вопрос о биологических эффектах действия малых доз излучения, особенно проблема их количественной оценки (как, впрочем, и любых иных антропогенных факторов малой интенсивности), продолжает оставаться предметом многочисленных дискуссий и полярных мнений по поводу их опасности для человека и среды его обитания.

В зависимости от особенностей биологического действия всю совокупность многообразных факторов физической, химической и биологической природы можно условно разделить на две большие группы: агенты (или факторы), обладающие порогом вредного действия, и агенты, лишенные таких свойств, для которых порога вредного влияния не существует. К числу «пороговых агентов» (т.е. если порог вредного действия не достигнут, биологические эффекты отсутствуют) относят многие ксенобиотики и некоторые виды неионизирующих излучений. К «беспороговым факторам» современная наука относит все виды ионизирующих излучений и некоторые токсиканты химической природы, обладающие канцерогенным и мутационным действием.

По определению, в условиях длительного хронического воздействия на организм «пороговых агентов» в количествах, равных или ниже установленного значения порога (по концентрации, дозе и т.п.), исключаются каких-либо вредные медико-биологические последствия у отдельных лиц, всего населения и его потомков.

Принципиально иной подход используют при прогнозировании и регламентации негативных эффектов в случае воздействия «беспороговых факторов». В мировой науке этот подход впервые был предложен в начале второй половины XX века и относился к ионизирующим излучениям. Только в последние годы этот подход распространен на область химических агентов, для которых получены доказательства их канцерогенного и генотоксического действия.

Концепция (точнее, рабочая гипотеза) беспорогового действия ионизирующих излучений постулирует линейную зависимость биологических эффектов от дозы облучения. Это значит, что отрицательные (но не детерминированные) вредоносные биологические эффекты воздействия ионизирующего излучения - злокачественные опухоли и наследственные нарушения - теоретически возможны при сколь угодно малой дозе облучения вплоть до значений, практически не отличающихся от нуля. При этом вероятность индукции таких эффектов тем меньше, чем ниже доза облучения.

Эффекты, которые порождаются воздействием малых доз, принципиально отличаются от лучевых поражений (лучевая болезнь, лучевые ожоги и т.д.), вызванных дозами порядка 70 - 100 бэр и выше, когда говорят о не стохастических или детерминированных соматических эффектах: увеличивается доза - увеличивается тяжесть поражения.

Детерминированные эффекты с высокой степенью вероятности персонифицированы, и степень тяжести поражения любого облученного индивидуума или группы пострадавших будет тем больше, чем выше доза облучения.

Для стохастических, вероятностных последствий облучения речь идет не о тяжести поражений, а о повышении частоты (вероятности) случаев проявления раковых заболеваний или наследственных дефектов в популяции людей и в том числе у каждого среднестатистического индивидуума. Следовательно, чем больше лучевая нагрузка на популяцию, тем вероятность выхода (частоты) отдаленных последствий будет выше.

Для осуществления соответствующих расчетов и оценок в радиационной защите введено специальное понятие, определяемое термином «коллективная доза облучения» (S). Она представляет собой произведение двух величин:

- средней эффективной индивидуальной дозы в облученной когорте;

- численности людей, которые подверглись облучению.

Обозначается S в человеко - зивертах или человеко - греях (чел-Зв; чел-Гр). Например, когорта населения численностью 1000 человек подверглась облучению средней индивидуальной дозой 0,01 Гр внешнего г-облучения. Тогда S составляет 1000?0,01 = 10 чел-Гр. Если различные когорты людей получили одинаковую коллективную дозу, то теоретически ожидаемый абсолютный выход опухолей или наследственных дефектов будет равным независимо от численности облучаемых групп. Сказанное можно пояснить следующим примером.

Допустим, одна популяция численностью 1 млн. человек облучена средней эффективной индивидуальной дозой 0,001 Зв, а другая, численностью 10 000 человек, - дозой 0,1 Зв. Тогда коллективные дозы облучения в обоих когортах будут равны, и ожидаемый выход злокачественных опухолей также будет в принципе одинаковым. Для отдельного человека из первой группы, облученного дозой 0,001 Зв, вероятность рака будет в 100 раз меньше, чем во второй когорте, облученных дозой 0,1 Зв.

Линейная беспороговая концепция действия ионизирующих излучений была принята в качестве рабочей гипотезы международными научными организациями (НКДАР и МКРЗ) в основном для обоснования принципов и методов регламентации малых доз облучения. При ее обосновании исходили из теоретически корректных представлений о механизмах взаимодействия излучений с биосубстратами на молекулярном уровне, экспериментальных исследований на биологических моделях in vitro и на микроорганизмах. Из-за отсутствия сколько-нибудь надежных данных при действии малых доз данные о канцерогенных эффектах у человека при воздействии больших доз и больших мощностей доз были экстраполированы в область малых доз и низких мощностей доз (с введением некоторых поправочных коэффициентов, учитывающих меньшую биологическую эффективность малых доз).

Упомянутая рабочая гипотеза (а не доказанный на человеческих популяциях факт), будучи по сути своей консервативной, явно завышает реальный риск облучения в малых дозах и, следовательно, практически исключает возможную недооценку подобного рода последствий.

В то же время возникает много проблем, касающихся доказательства существования таких эффектов у человека. Согласно теории и соответствующим расчетам риск, точнее вероятность, проявления у людей в обсуждаемом диапазоне малых доз, особенно хронического облучения, - весьма редкое событие. Для выявления таких стохастических эффектов на фоне высоких уровней спонтанной патологии (рак и наследственные дефекты естественного происхождения) требуются популяции, исчисляемые многими сотнями тысяч и даже миллионами людей (без учета так называемых контрольных, т.е. без облучения, групп обследуемого населения). Эти эффекты нельзя наблюдать на единичных случаях - каждый конкретный исход случаен (человек, получивший и малую дозу, может заболеть, а получивший в 100 раз больше - остаться здоровым).

При воздействии на людей различных факторов малой интенсивности, будь то радиация или иные агенты антропогенной природы, возникает необходимость учета и количественного анализа множества дополнительных моментов и обстоятельств, которые затрудняют, маскируют либо искажают оценку истинной картины воздействия данного фактора на здоровье обследуемой популяции людей.

Пока не найдено никакого теста, позволяющего отличить радиогенный рак от других видов опухолей тех же гистологических типов. Поэтому радиогенный рак можно связать с облучением только путем тщательного статистического сравнения с количеством ожидаемых случаев в популяциях, идентичных по всем показателям, кроме воздействия дополнительной дозы облучения. Например, небольшое превышение числа случаев злокачественных опухолей, которое предположительно связывают с излучением, может считаться достоверно установленным только если оно примерно вдвое превышает стандартное отклонение, характерное для неизбежного варьирования ожидаемого числа случаев (спонтанных опухолей) в обследуемой группе населения.

В таблице 3 приведены размеры выборок, необходимых для статистически значимого определения зависимости доза-эффект в канцерогенезе.

Таблица 3 - Размеры выборок, необходимых для статистически значимого определения зависимости доза-эффект

По мнению большинства ученых, не существует совокупности доказанных данных, устанавливающих рост канцерогенного риска при дозах ниже 0,5-0,2 Гр. Известные данные более чем пятидесятилетнего медицинского наблюдения за облученными людьми. Это 90 тысяч человек, переживших атомную бомбардировку в Японии, столько же получивших облучение на ядерных производствах, 500 тысяч облучившихся во время ядерных испытаний, почти миллион ежегодно составляют пациенты, получающие лучевую терапию. Однако мировая практика не знает ни одного случая проявления детерминистских последствий от воздействия доз, меньше 0,5 Гр; канцерогенный и тератогенный эффекты относятся к отдаленным последствиям, реализующимся через годы и даже десятки лет после облучения.

Японские ученые располагают данными, прослеживающими влияние малых доз на протяжении нескольких десятилетий. Согласно статистике, даже после ядерной бомбардировки не было зарегистрировано учащение случаев рака у лиц, облученных дозами менее 0,5 Гр, по сравнению с контрольной группой. Исследовалось также тератогенное влияние облучения, причем оценивались и неблагоприятные исходы беременности (мертворождение, серьезные врожденные дефекты, смерть в первую неделю после рождения). Частота этих нарушений у облученных оказалась не выше, чем в контрольной необлученной группе.

Применительно к некоторым лейкозам человека, радиогенное происхождение которых четко доказано, ряд ученых предполагают наличие практического порога для их индукции в пределах доз 0,3-0,4 Гр.

В последние годы в литературе появились публикации, посвященные так называемому гормезису - положительному эффекту хронического облучения в малых дозах. Так, японский исследователь С. Кондо, проанализировав данные 40-летних наблюдений за лицами, пережившими атомную бомбардировку, обнаружил, что кривая «доза - эффект» для большинства видов раковых опухолей имеет «впадину» в диапазоне малых доз от 1 до 0,5 Гр. Иными словами, малые дозы, по-видимому, способствуют снижению заболеваемости раком.

В.Е. Балакин с соавторами, исследуя эффект возрастной стабилизации генома при действии малых доз ионизирующего излучения установили, что малые дозы ионизирующей радиации подавляют рост уровня цитогенетических нарушений, обусловленный старением, до уровня ниже спонтанного, т.е. переводят организм в новое устойчивое состояние, отличающееся повышенной стабильностью генома. Это явление открывает новое направление в биологии - исследование обнаруженного эффекта стабилизации генома и возможности в дальнейшем его использования в медицине.

Член-корреспондент РАН А.М. Кузин, много лет, изучающий стимулирующее действие малых доз радиации, связывает этот процесс с активизацией иммунной системы организма. Напомним, что по данным НКДАР ООН достоверное снижение иммунитета выявлено в дозах более 100 Гр. При значительно меньшем облучении наблюдаются противоположные явления: усиливается фагоцитоз и образование антител, растет уровень лизоцима и отчетливо прослеживается стимуляция общеиммунологического статуса организма.

Отмечают, что у рентгенологов, в условиях удовлетворительной защиты и малых доз радиации, обнаружена стимуляция бактерицидной активности сыворотки крови, причем ее степень возрастает с увеличением стажа их работы. Стимуляцией иммунитета можно, по-видимому, объяснить и известный оздоравливающий эффект радоновых ванн.

Этот феномен пытались использовать для стимуляции роста и развития животных и растений в сельском хозяйстве. В большом количестве работ было показано ускоренное развитие птиц и различных растений, увеличение их живой массы и урожайности. Однако результаты исследований не были стабильными, а кривая доза-эффект для малых (стимулирующих) доз непостоянной, в отличие от высоких доз, при которых эффект угнетения жизнедеятельности наблюдался со 100% постоянством. Высказывалось мнение, что эффект стимуляции малыми дозами ионизирующего действия семян растений характерен для определенной выборки, не обладающей высокими посевными качествами. При использовании семян с высокими посевными кондициями эффект стимуляции не наблюдается или незначителен, что делает неэкономичным применение данного явления.

3.2 Действие больших доз ионизирующих излучений

Понятие «большая доза» также условна, как и понятие «малая доза». В отношении живых организмов ее конкретная величина зависит от чувствительности конкретного организма или популяции. Исходя из приоритетного рассмотрения радиационного влияния на человека, отметим, что с этой точки зрения большими дозами можно считать дозы, сравнимые по величине, с предельно допустимыми. На практике, в различных областях деятельности применяются дозы значительно превосходящие этот параметр.

В Российском онкологическом журнале в 2001 было приведено прижизненное наблюдение за динамикой роста облученных в больших дозах радиации клеточных культур (культура клеток HeLa и фибpобласты линии ДЭФ 4/21). Данные опытов свидетельствами о том, что под влиянием г-облучения в больших дозах в клеточной популяции реализуется сложная защитная реакция, приводящая к появлению в облученной популяции жизнеспособных клоногенных клеток, восстанавливающих затем ее численность. Обнаружено, что потомки опухолевых клеток, выжившие после больших доз ионизирующего излучения, были в 2-3 pаза pадиоpезистентнее, чем исходные клетки. Особый интерес представляют данные о высокой способности этих потомков к pепопуляции: спустя всего 1-2 сут после облучения в дозах 12,5 и 15 Гp начинался быстрый pост клеточной массы. Стабильно сохраняющиеся различия между потомками опухолевых клеток, выживших после больших доз облучения, и исходными клетками, отмеченные авторами, свидетельствовали, по их мнению, о качественных изменениях в биологии потомков, закрепленных генетически.

3.3 Действие ионизирующих излучений в зависимости от мощности дозы

Мощность дозы играет существенную роль при радиационном воздействии на любой объект, в том числе и на живой организм. На вопрос о действии той или иной дозы невозможно дать однозначный ответ, если не знать, за какой отрезок времени эта доза получена. Поясним на примере: с высоты 10 м падает тюк массой 100 кг на стоящего внизу. Опасно это или нет? Ответ как будто однозначен - да опасно. Но если это развязанный тюк пуха. Те же сто килограмм не произведут какого-либо опасного действия.

По аналогии с этим примером, даже смертельная доза 5-6 Гр, полученная равными порциями в течении 30 - 50 лет не окажет смертельного действия, хотя и может вызвать нежелательные изменения в организме.

4. Защита от ионизирующего воздействия

Защита общего населения и обслуживающего персонала, а также защита в случае чрезвычайных ситуаций регламентируется нормами радиационной безопасности (НРБ) и основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений (ОСП). Нормы радиационной безопасности устанавливают систему дозовых пределов и принципы их применения. Основные принципы радиационной безопасности, предусмотренные в НРБ:

- не превышение установленного основного дозового предела;

- исключение всякого необоснованного облучения;

- снижение дозы излучения до возможно низкого уровня.

Дозовые пределы, установленные НРБ, распространяются на любые виды ионизирующего излучения, за исключением:

- доз, получаемых пациентами при медицинском обследовании и лечении;

- доз, обусловленных естественным фоном излучения.

Основные санитарные правила распространяются на все предприятия и учреждения, независимо от ведомственной принадлежности, где возможны производство, обработка, применение, хранение, переработка, обезвреживание и транспортирование радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излучений.

Физически защита от ионизирующих излучений может осуществляться расстоянием - то есть удалением от радиационного или иного источника на безопасное расстояние, или организацией поглощающего экрана. Такой экран может быть стационарным или передвижным, его основное назначение - поглощение энергии ионизирующего излучения. При использовании источников с малой проникающей способностью он может изготавливаться из органического стекла, обслуживающий персонал может быть защищен специальными защитными элементами из резины, с добавлением свинца, предохраняющими наиболее уязвимые органы. Установки с высокой активностью источников ионизирующего излучения экранируются свинцом или специальными бетонами. Кроме того, в практике применяется защита временем. Она заключается в том, что при получении дозы, соответствующей пределу дозы, работник может быть переведен на работу, на которой исключено получение дополнительной дозы.

В тех же случаях, когда произошло радиационное облучение вследствие аварии или иных причин, необходимо принять меры снижающие негативное действие излучателей на человека или животных. К ним относятся:

- дезактивация;

- йодная профилактика;

Дезактивация - это удаление радиоактивных веществ с отдельных участков местности, сооружений, транспорта, одежды, продовольствия, воды, человеческого тела и иных предметов до допустимых нор м загрязнения. Проводится она механическим и физико-химическим методами.

Механический метод - удаление радиоактивных веществ с поверхности (сметание с зараженных объектов щетками и другими подручными средствами, вытряхивание, выколачивание одежды, отмывание струей воды и т.д.). Этот метод наиболее доступен и может быть использован сразу после выхода с зараженной территории.

Однако дезактивация только механическим способом будет малоэффективна при тесном контакте радиоактивных веществ с поверхностью многих материалов, когда силы сцепления достаточно сильны. Физико-химический способ дезактивации - это использование растворов специальных препаратов, повышающих эффективность смывания радиоактивных веществ.

Дезактивация одежды и обуви. Частичная дезактивация организуется самим населением после выхода с загрязненной территории и проводится самыми простейшими механическими способами - вытряхивая или выколачивая с использованием щеток, веников и палок. Однако подобную дезактивацию можно проводить только в условиях, когда пыль не попадает в органы дыхания, на кожу или чистую одежду. В результате двукратной обработки загрязненность снижается на 90 - 95%. Однако если одежда и обувь мокрая, то степень зараженности уменьшается только на 30%.

После дезактивации каждую вещь подвергают повторному дозиметрическому контролю, и если уровень загрязненности окажется выше допустимых норм, то работа проводится вторично. Дезактивация одежды и обуви должна проводиться в надежных средствах защиты (противогазах, респираторах, ватно-марлевых повязках, защитных костюмах). Полная дезактивация одежды и обуви проводится на стационарных обмывочных пунктах, оснащенных соответствующими установками и приборами.

Механической стиркой дезактивируется одежда и другие предметы из хлопчатобумажной, льняной и шерстяной тканей в особом режиме с добавлением 0,5 %-ного раствора поверхностно-активных веществ и стиральных порошков. Одежду или обувь, которую дезактивировать полностью не удается, хранят в выделенных для этого местах с целью уменьшения степени загрязненности до установленных пределов.

При авариях на радиационно-опасных объектах в облаке радиоактивных продуктов содержится значительное количество радиоактивного йода-131, который сорбируется щитовидной железой человека и вызывает ее поражение. Наиболее эффективным методом защиты от действия радиоактивного йода-131 является йодная профилактика. С этой целью осуществляется прием внутрь лекарственных препаратов стабильного йода.

Доза принимаемого йодистого калия различна для взрослых и детей: взрослые и дети старше 5 лет - 0,25 г, дети от 2 до 5 лет - 0,125 г, дети до 2 лет - 0,04 г. Однако нужно помнить, что йодистый калий следует принимать только по рекомендации специалистов ЧС в случае аварии на радиационно-опасном объекте или иной радиационно-опасной ситуации.

При действии на местности, загрязненной радиоактивными веществами, чтобы исключить радиационные поражения людей, устанавливаются определенные допустимые дозы облучения на определенный промежуток времени. Степень радиационных поражений зависит от полученной дозы и времени, в течение которого человек подвергался облучению.

5. Радиоактивное излучение в природе

Источники радиационного излучения по происхождению можно разделить на две группы:

- естественные источники радиации;

- источники, созданные человеком.

К естественным источникам радиации относятся:

космические лучи;

радиация литосферы, гидросферы и атмосферы.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время вспышек. Они взаимодействуют с атмосферой Земли, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, - это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 - долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Средняя эффективная эквивалентная доза, которую человек получает за год от земных источников радиации, составляет примерно 350 микрозиверт.

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ (калий-40, свинец-210, полоний-210 и пр.), попавших в организм с пищей, водой и воздухом.

Важным источником радиационного воздействия является радон - невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ. Радон вместе со своими дочерними продуктами распада ответствен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы. Встречается в двух основных формах: радон-222 и радон-220. Он высвобождается из земной коры повсеместно, но основную часть дозы облучения человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. Жители подвалов и нижних этажей получают большую дозу от радона, чем жители верхних этажей высотных домов.

К источникам техногенного происхождения относят источники, использующиеся в медицине, среди которых рентген; компьютерная томография; радиотерапевтические установки для лечения рака; радиоизотопы, использующиеся для исследования различных процессов в организме. Средняя индивидуальная доза за счет источников медицинского назначения во всем мире составляет ~ 400 мкЗв на человека в год.

Ядерные взрывы внесли наибольший вклад в антропогенную радиационную составляющую. Наиболее опасны воздушные взрывы. Часть радиоактивного материала выпадает неподалеку от места испытания, какая-то часть задерживается тропосфере (самом нижнем слое атмосферы), подхватывается ветром и перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе в среднем около месяца, радиоактивные вещества во время этих перемещений постепенно выпадают на землю. Однако большая часть радиоактивного материала выбрасывается в стратосферу - следующий слой атмосферы, лежащий на высоте 10-50 км., где он остается многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.

АЭС вносят незначительный вклад в суммарное облучение населения. При безаварийной работе ядерных установок, выбросы радиоактивных материалов невелики.

5.1 Естественный радиационный фон

Радиоактивный фон - это естественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественные радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде, а также в животных и растительных организмах. На диаграмме (рисунок 7) показано соотношение активностей основных первичных радиационных источников литосферы.

Рисунок 7 - Содержание первичных радиационных источников в литосфере Земли

К числу важнейших радиационных источников, рассеянных в элементах биосферы относят радионуклиды, период полураспада которых достаточно велик - они сохранились со времени образования планеты - это калий-40 (К40), уран-238 (U238) и торий 232 (Th232), а также продукты распада тория и урана, в первую очередь радон и радий.

Фоновому облучению подвергаются все живые организмы Земли, в том числе человек (средние значения годовых доз облучения человека представлены в таблице 4). В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания радионуклидов в окружающей среде радиационный фон колеблется в значительных пределах.

В отдельных районах с высоким содержанием природных радионуклидов он может достигать 1000 мрад/год и больше. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях воздействия ионизирующих излучений. Биологическое значение фоновой радиации, однако, окончательно ещё не выяснено. Считают, что часть наследственных изменений - мутаций у животных и растений связана с естественным фоновым излучением.

Таблица 4 - Средние значения годовых доз облучения человека от природных источников

Ядерные взрывы и поступление радиоактивных отходов с предприятий атомной промышленности, атомных электростанций и др. привели к некоторому повышению радиационного фона Земли. Дозы облучения от глобальных радиоактивных выпадений составляли единицы - десятки мрад/год. В основном они определялись поступлением в организм людей искусственных радионуклидов 90Sr и 137Cs. В районах локальных выпадений дозы внешнего и внутреннего облучения выше. В формировании их основное значение имели короткоживущие изотопы продуктов ядерного деления (131J, 89Sr, 140Ba). Повышение радиационного фона Земли может привести к накоплению в популяциях организмов, в том числе и людей, вредных мутаций.

В некоторых районах земного шара содержание природных радионуклидов в подстилающих породах и, соответственно, в почвах, водах и других объектах природной среды повышено по сравнению с "нормальными" районами или средними уровнями радиоактивности этих объектов в 20-100 и даже 1000 раз. В результате этого ЕРФ в этих районах оказывается резко повышен. Такие районы обнаружены на Памире и Тибете, побережье Бразилии и Франции, в Индии, Иране, Нигерии, на Мадагаскаре, Шри Ланке, Египте и т.д. Например, в Индии (штат Керала) 70000 человек живут вдоль прибрежной полосы (55 км) в местах выхода на поверхность монацитовых песков, содержащих до 8,0-10,5% по массе тория-232 и продуктов его распада. Средняя ежегодная доза облучения жителей этих мест составляет 3,8 мЗв (380 мбэр). Около 2,5 тыс. человек получают дозы свыше 5 мЗв, 6% - свыше 10 мЗв и около 0,7% - свыше 20 мЗв (0,5; 1,0; 2,0 бэра соответственно).

В Бразилии неподалеку от г.Посус-ди-Калдас на одной небольшой необитаемой возвышенности зарегистрирован уровень радиации порядка 250 мЗв или 25 бэр в год. Чуть меньшие уровни были обнаружены на морском курорте, расположенном в 600 км от этой возвышенности. В курортном городке Гуарапари (Бразилия) на отдельных участках пляжа отмечены уровни радиации порядка 175 мЗв/год, хотя на улицах города этот показатель оказался намного ниже - 8-15 мЗв, что однако тоже значительно превышает радиационный фон "нормальных" районов и сравним с уровнями профессионального облучения. В Иране в районе г. Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, зарегистрирована мощность дозы до 400 мЗв/год (40 бэр/год).

В бывшем СССР (Боржоми, Хмельнике, Мироновке) в местах выхода на поверхность радиоактивных (радоно-радиевых) вод ЕРФ оказывается существенно выше. Мощность поглощенной дозы достигает 10-30 мГр/год (1000-3000 мрад/год), местами - до 40-80 мГр/год (4-8 рад/год), т.е. превышает средний в десятки и более раз. В этих районах обитает и произрастает богатая и разнообразная фауна и флора, издавна проживают люди. Многолетние тщательные исследования не выявили у местного населения отклонений в состоянии здоровья, сокращения продолжительности жизни, повышенной онкогенной и иной заболеваемости по сравнению с соседними районами, где более низкий ЕРФ. То же можно сказать и о высокогорных регионах, где население подвергается существенно большему облучению вследствие высокой интенсивности космического излучения, а также из-за более высокого содержания терригенных нуклидов в изверженных горных породах (гранит, базальт).

В районах Крайнего Севера нашей страны, США, Канады и в Скандинавских странах имеет место повышенное поступление в организм человека свинца-210 и полония-210 по пищевой цепочке "лишайники - олень - человек". Лишайники, имеющие высокую сорбционную способность и большую продолжительность жизни (почти 300 лет), концентрируют эти радионуклиды из воздуха, поскольку не имеют корневой системы. При этом содержание свинца-210 в 1 кг сухого вещества лишайника достигает 215-340 (5,8-9,2), а полония-210 - 215-370 Бк (5,8-7,3 нКи). Олень поедает до 4 кг лишайников в сутки, в результате чего в его мясе накапливается до 14 Бк/кг (360 пКи/кг) свинца-210 и до 1,4 Бк/кг (38 пКи/кг) полония-210. В организм местного населения, питающегося мясом оленей, в среднем поступает 3,7 Бк/сут (100 пКи/сут) полония-210, что в 10 раз превышает уровень поступления этого радионуклида в "нормальных" районах. Повышенное поступление РВ сопровождается усиленным накоплением их в органах и тканях. В костях коренных жителей Крайнего Севера концентрация полония-210 в среднем составляет 710 пКи/кг (21 Бк/кг), что обуславливает годовую поглощенную дозу 1 мГр (100 мрад), которая примерно в 23 раза выше, чем у жителей "нормальных" районов земного шара. Повышенное содержание полония-210, а следовательно, и более высокие лучевые нагрузки отмечены и для других органов: гонад, легких, красного костного мозга.

5.1.1 Естественные источники ионизирующего излучения

При изучении содержания естественных радионуклидов отмечено, что их активность может различаться в сотни раз, при этом содержание естественных радионуклидов снижается в почвах с грубой структурой, а отношение U238/Th232/K40 для почвы при природном распределении соответствует 1: 0,45: 26. Вероятно, с этим связана и различная радио чувствительность живых организмов, и, в первую очередь, растений, чей генотип был сформирован в определенных экологических условиях. Суммарная эквивалентная доза от природных источников приведена на рисунке 8.

Как видно из рисунка, более половины естественной эквивалентной дозы дают уран-238 и радий-226. второе место занимает торий-232 и его продукты его распада, среди других элементов значительную роль играет радиоактивный калий.

Нужно отметить и антропогенное изменение концентраций естественных радионуклидов. Поступление урана и тория в растительный покров связывается главным образом с функционированием предприятий по добыче и переработке некоторых видов минерального сырья и ископаемого топлива и применением фосфорных удобрений.

Считается, что применение минеральных удобрений с повышенным содержанием тяжелых естественных радионуклидов сопровождается их введением во внешнюю среду, что может привести к увеличению природного радиационного фона. Если для U238 и Th232 основная часть их потоков в биосфере контролируема, то многочисленные продукты распада этих радионуклидов зачастую не учитываются. В то же время известен тот факт, что в случае выщелачивания из пород и продуктов их разрушения в раствор переходят преимущественно дочерние изотопы урана и тория. При этом различие в формах нахождения изотопов одного и того же элемента может привести к .нарушению изотопного равновесия в пользу дочерних изотопов при миграции урана и тория в звене “почва - растение”.

Рисунок 8 - Суммарная эквивалентная доза от природных источников

В связи с этим возникает необходимость учета комплекса изотопов тяжелых радионуклидов и продуктов их распада Подтверждением вышесказанному служит вариабельность содержания радона - 222 в почве и грунтовых водах, при этом отмечается, что наряду с местными изменениями активности, средняя величина в геологическом регионе постоянна и зависит от концентрации предшественников. В некоторых случаях, возможно накопление активного газообразного продукта в концентрациях, достигающих предельно допустимых уровней и превышающих их при антропогенном загрязнении окружающей среды урана, эта опасность возрастает, особенно при выделении радона в пресноводные экосистемы и накоплении радиоактивного продукта в трофических цепях.

5.2 Антропогенные источники ионизирующего излучения

Значимость радионуклида техногенного происхождения для окружающей среды зависит, в первую очередь, от периода полураспада, его качества и активности. По скорости распада радионуклиды можно разбить на три группы: с коротким периодом полураспада - от долей секунды, до нескольких лет; со средним периодом полураспада - до нескольких десятков лет, и, наконец, долгоживущие - тысяча и более лет. Качество определяется типом распада и энергетической характеристикой продуктов распада, при этом необходимо учитывать как конечные, так и промежуточные продукты. Активность нуклида определяется количеством распадов в единицу времени, снижаясь с течением времени.

Во время аварии или ядерного взрыва наибольшую опасность представляют короткоживущие нуклиды с высокой скоростью распада и высокой активностью, затем возрастает роль элементов с большим периодом полураспада, и, наконец, долгоживущих радионуклидов. Антропогенные радионуклиды поступают во внешнюю среду не только во время ядерных взрывов и аварий, но и благодаря добыче и переработке полезных ископаемых, сжиганию угля и использованию удобрений.

При учете действия радионуклидов техногенного происхождения, недостаточно учитывают различие в частотных характеристиках продуктов распада, что приводит к различному способу радиационного воздействия на живой организм. В связи с этим недостаточен учет только лишь изменения дозовой нагрузки в результате воздействия техногенных нуклидов, но необходим учет различия в физических характеристиках воздействующих частиц. При этом если активность естественных радионуклидов величина практически постоянная во времени для данного региона, то активность антропогенных нуклидов непостоянна во времени и пространстве и в значительной степени изменяется в течение жизни одного - двух поколений большинства животных и растений, что не позволяет выработать адекватную эволюционную защиту от воздействия этих факторов.

Как правило, искусственные радионуклиды попадают в природную среду через атмосферу, выпадая в виде различных соединений, различающихся по своей растворимости и первичному взаимодействию с почвой. В почве радионуклиды находятся в водно-растворимой, обменной, подвижной и аморфной формах, а также в катионной, анионной и нейтральной форме и в водно-растворимом состоянии в грунтовых водах. Главная роль в миграции нуклидов в наземных экосистемах принадлежит гумусовым и низкомолекулярным кислотам и их соединениям с химическими элементами, а также гидр оксидам железа и алюминия.

6. Радиационное действие на экосистемы

ионизирующее излучение действие защита безопасность

Радиоэкология изучает распределение и миграцию радиоактивных нуклидов в биосфере и влияние ионизирующих излучений на организмы, их популяции и сообщества - биоценозы. Радиоэкология обычно имеет дело с весьма малыми мощностями хронического внешнего и внутреннего облучения организма. В природных условиях организмы подвергаются облучению за счёт естественного радиоактивного фона, а также за счёт радиоактивного загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Однако многие растения и животные способны накапливать в жизненно важных органах и тканях радионуклиды, что влияет на их миграцию в биосфере и приводит к значительному усилению внутреннего облучения организма.

Повышенные дозы облучения, воздействуя на генетический аппарат клеток, приводят к возрастанию темпов наследственной изменчивости. Более высокие дозы облучения понижают жизнеспособность организмов (вплоть до вымирания наиболее чувствительных к ионизирующим излучениям популяций) и тем самым вызывают изменение структуры биоценозов и обеднение межвидовых взаимоотношений в них. Выявление закономерностей, лежащих в основе этих процессов, имеет большое значение для ряда отраслей народного хозяйства.

Особый практический интерес представляют проблемы: миграция радионуклидов в пищевых цепях организмов (в т. ч. с.-х. животных и человека); обрыв или ослабление экологических связей; дезактивация с.-х. земель, водоёмов и т.п., загрязнённых радионуклидами; поиск поверхностно залегающих месторождений радиоактивных руд (по радиоактивности растений-индикаторов); выявление территорий суши и акваторий, загрязнённых искусственными радионуклидами.

Вследствие ядерных взрывов, аварий на АЭС, добывающих и перерабатывающих предприятий и других аналогичных выбросах расщепляющихся веществ, основная часть загрязнения попадает через атмосферу в почву, воду и другие элементы биогеоценозов. Изменение активности определенного нуклида происходит за счет его распада или миграции по различным звеньям экосистем. Если радионуклиды, попадающие с частицами достаточно большой массы в атмосферу, распространяются на относительно небольшие площади земной поверхности с радиусами до сотен километров, то аэрозоли и мелкодисперсные частицы, выбрасываемые в тропосферу под действием воздушных потоков вносят основной вклад в глобальное загрязнение окружающей среды. Время пребывания радионуклидов в тропосфере достигает тридцати часов, третья группа частиц, несущих радионуклиды, попадает в стратосферу, где распределяется достаточно гомогенно, частично препятствуя осаждению частиц из тропосферы. При перемешивании воздушных потоков в стратосфере радионуклиды переносятся из одного полушария в другое. Время пребывания частиц в стратосфере достигает почти двух лет.

Эти выпадения радиоактивных веществ не вызывают прямого поражения растений и животных, но представляют опасность из-за длительного радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции и хронического облучения животных. Среди искусственных радионуклидов важную роль играют достаточно долго живущие изотопы стронций-90 и цезий-137 и плутоний-239,240. Стронций-90 выпадает на поверхность земли преимущественно в водорастворимой форме, а затем, в результате процессов обменной сорбции и других реакций часть элементов захватывается анионами кристаллической решетки глинистых минералов и из ионной формы переходит в обменную форму. Обменный стронций находится в адсорбированном состоянии, легко десорбируется нейтральными солями и практически не вымывается атмосферными осадками, но легко выщелачивается нейтральными солями и кислотами, однако часть стронция может находиться в необменной форме и не выщелачиваться водой или растворами нейтральных солей.

В отличие от стронция-90, цезий-137 прочно сорбируется почвами и, несмотря на участие в реакциях ионообменного поглощения в значительной мере переходит в необменную форму, труднее десорбируется из поглощенного состояния катионами нейтральных солей и поэтому сравнительно слабо поступает из почвы в растения. В большинстве почв и глинистых материалов прочно сорбированного цезия оказывается больше, чем катионнообменного.

Малорастворимые гуминовые кислоты, гуматы кальция, железа и алюминия и гидроксиды увеличивают прочность поглощения радионуклидов почвами. С другой стороны, органические вещества увеличивают подвижность нуклидов благодаря образованию отрицательно заряженных комплексных соединений, в первую очередь, железа и алюминия с фульво- и низкомолекулярными кислотами. Вследствие крайне низких концентраций радионуклиды не способны образовывать собственных соединений и входят в соединение не только изотопных, но и неизотопных носителей и приобретают закономерности поведения неизотопных носителей. В лесной и лесостепной зонах к таким элементам относятся железо, кальций и алюминий.

Поступающие во внешнюю среду искусственные радионуклиды являются новыми ингредиентами, интенсивность их вовлечения в циклы миграции со временем снижается в результате комплекса реакций, которые в радиоэкологии принято называть “старением” радионуклидов, т.е. процессов, связанных с переходом радионуклидов в почвах в необменные и труднодоступные для растения формы. Для количественного прогноза загрязнения объектов внешней среды часто оценивают изменение интенсивности поступления радионуклидов из почвы в растения. Длительное пребывание стронция-90 в почве не снижает его доступность для растений и интенсивность дальнейшего включения в биологические цепи миграции, тогда как цезий-137 заметно стареет и становится труднодоступным для усвоения.

Несмотря на активные исследования процессов поступления и миграции радионуклидов в почвах многие задачи еще не решены, и эти вопросы остаются одними из важнейших в радиоэкологии, поскольку недостаточная их изученность не позволяет в достаточной мере прогнозировать характер и уровень загрязнения радионуклидами. Также возможен выброс в окружающую среду таких радиоактивных изотопов, для которых неизвестно поведение в сложной многофазной почвенной системе, не установлены ПДК и не изучено действие на живой организм.