Сельскохозяйственная радиоэкология

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт менеджмента, экономики и предпринимательства

Кафедра ихтиологии и экологии

Курсовая работа

«Сельскохозяйственная радиоэкология»

«Агроэкология и природопользование»

Калининград 2012

Введение

В настоящее время и в перспективе особо остро встаёт проблема экологической безопасности окружающей среды, экологически безопасного природопользования при возрастающих антропогенных нагрузках.

Загрязнение системы “почва - растения - вода” различными химическими веществами, а главным образом твердыми, жидкими и газообразными отходами промышленности, продуктами топлива и т.д. приводит к изменению химического состава почв.

Техногенные выбросы радионуклидов в природную среду вряде районов земного шара значительно превышают природные нормы.

До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ рассматривались, главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды. Радионуклиды рассматривались в меньшей степени.

В настоящее время интерес к загрязнению радиоактивными веществами вырос, в связи с факторами появления острых токсичных эффектов, вызванных загрязнением стронцием и цезием.

Важнейшая проблема сельского хозяйства в условиях загрязнения почвы радиоактивными элементами - максимально возможное снижение поступления этих веществ в растениеводческую продукцию и предотвращение накопление их в организмах сельскохозяйственных животных. Решение этой задачи связано с комплексом мероприятий, которые необходимо проводить в сельском хозяйстве.

Основание для проведения данных мероприятий является увеличение заболеваемости и смертности, врожденных уродств и населения, проживающего на загрязнённых территориях.

Вопрос об изменении ведения сельского хозяйства должен решаться в каждом конкретном случае с учётом всех обстоятельств на основе точной и достоверной информации в зависимости от типа почвы, её механического состава, водно-физических и агрохимических свойств и от степени загрязнённости территории.

Цель моей курсовой работы - проанализировать воздействие радиации на сельское хозяйство. Для этого мною были поставлены следующие задачи:

- формирование теоретической базы о сущности радиоактивных излучений в сельском хозяйстве

- изучение влияния радиации на сельскохозяйственные объекты

- предложение мер по работе в сельском хозяйстве в условиях радиационного заражения

Глава 1. Теоретические основы радиоэкологии

1.1 Понятие и сущность радиоэкологии как науки

природопользование антропогенный радиоэкология

Сельскохозяйственная радиоэкология - это наука, предметом которой является изучение закономерностей миграции радионуклидов по биологических цепочках и влияния ионизирующих излучений на сельскохозяйственные растения и животных. Прикладное назначение этой науки - разрабатывать меры, ограничивающие вовлечение радионуклидов в биологический кругооборот, позволяющие снижать содержание радиоактивных веществ в растениях и животных и, вследствие этого, в продукции растениеводства и животноводства. Вообще это обоснование системы ведения и функционирования агропромышленного производства на территориях с повышенным содержанием радиоактивных веществ.

Облучение человека от радионуклидов техногенного происхождения в общем виде состоит из:

внешнего облучения от радионуклидов, выпавших на земную поверхность или растительный покров;

внутреннего облучения за счет ингаляции радионуклидов, которые находятся в зоне дыхания человека;

облучения от радионуклидов, поступающих в организм человека с продуктами питания и питьевой водой - внутреннее облучение.

Внутреннее облучение в большинстве ситуаций играет главную роль в формировании дозовой нагрузки на человека. Поэтому пищевой путь поступления радионуклидов в организм человека и определил исключительное внимание до проблем сельскохозяйственной радиоэкологии.

Внешнее облучение - это та составляющая общей дозы, на которую фактически влиять с целью ее уменьшения очень тяжело (дезактивация территорий, асфальтирование дорог и тротуаров, центральное водоснабжение, газификация населенных пунктов и т.п.). В то же время, разработанные и научно обоснованные контрмеры, направленные на ограничение поступления радионуклидов с продуктами питания в организм человека, есть наиболее важными в комплексе мер по обеспечению радиационной безопасности.

В истории развития сельскохозяйственной радиоэкологии можно выделить несколько этапов. В довоенные годы главное внимание было уделено особенностям накопления растениями тяжелых природных радионуклидов - 238U, 226Ra, 232Th и др. Этот интерес, главным образом, связывался с разработкой биогеохимического метода поиска урана, а также с академическим изучением закономерностей поглощения тяжелых элементов растениями. В то же время были выполнены первые исследования действия повышенного природного радиационного фона на популяции растений.

Второй этап развития сельскохозяйственной радиоэкологии связан с проведением в 50-х - 60-х годах ядерных испытаний в атмосфере, которые сопровождались выпадением на земную поверхность большого количества искусственных радионуклидов, которые включались в биологический круговороту с участием растений, животных и человека. Именно в это время и произошло оформление сельскохозяйственной радиоэкологии в рамках ее нынешней структуры как самостоятельной научной дисциплины.

В эти годы вследствие глобального мониторинга природной среды, загрязненной радиоактивными выпадениями после ядерных испытаний, были изучены закономерности миграции в почвенно-растительном комплексе таких представителей продуктов деления, как137Cs и 90Sr (основные долгоживущие искусственные радионуклиды в составе смеси осколков деления), особенности накопления растениями большого количества радиоактивных продуктов деления, радионуклидов с наведенной активностью и некоторых трансурановых радионуклидов. Были определены параметры метаболизма этих радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных, а также сделана оценка параметров накопления искусственных радионуклидов в продукции растениеводства и животноводства. Эти результаты стали основой для определения дозовых нагрузок на население и объективного анализа последствий загрязнения биосферы радиоактивными выпадениями после ядерных испытаний.

Наконец, последний этап развития сельскохозяйственной радиоэкологии относится к концу 60-х - началу 70-х годов. Это период интенсивного роста ядерной энергетики и использования радиационных технологий в разных отраслях народного хозяйства. В эти годы стало понятно, что ядерная энергетика в ближайшие десятилетия будет одним из главных источников удовлетворения непрерывно растущих энергетических потребностей человека - с одной стороны, и что общий прогресс в развитии ядерной энергетики зависит от решения экологических проблем охраны природной среды от радиационного влияния, связанного с полным ядерным топливным циклом (ЯТЦ), - с другой стороны. Это связано с тем, что на всех этапах ЯТЦ, начиная с добывания уранового сырья и заканчивая переработкой отработанного топлива и захоронением высокоактивных отходов, происходит освобождение искусственных радионуклидов в окружающую середу, и в том числе в сельскохозяйственную сферу, а также ускорение темпов миграции тяжелых природных радионуклидов, в тому числе и в сельскохозяйственных цепочках круговорота. Таким образом, решение проблемы экологической безопасности функционирования атомных электростанций, и вообще всех предприятий ЯТЦ, тесно связано с анализом радиационной ситуации, складывающейся в агропромышленной сфере на территориях, прилегающих к предприятиям ЯТЦ, а в аварийных случаях - и с принятием мер по ограничению поступления радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию. Это связано с тем, что наличие радионуклидов в пищевых продуктах есть в большинстве радиологических ситуаций главным дополнительным источником облучения человека.

Особую актуальность проблемы сельскохозяйственной радиоэкологии приобретают в случае аварийных ситуаций, когда имеют место выбросы радиоактивных веществ в атмосферу. Так было: во время аварии на Южном Урале в 1957 году, когда взорвалась емкость с радиоактивными отходами; при радиационной аварии в Уиндскейле (Великобритания) в 1957 году; при аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. В таких случаях меры в сельском хозяйстве, направленные на ограничение поступления радионуклидов в организм человека, являются, по-видимому, самыми главными в комплексе мер по обеспечению радиационной безопасности. Это отражает преимущественную роль продукции агропромышленного производства, загрязненной радионуклидами, в формировании суммарной дозы облучения населения.

С развитием атомного производства и применением атомной энергии возникло новое научное направление - радиоэкология - учение об особенностях существования организмов в среде обитания с повышенной (по сравнению с нормой) радиоактивностью. Расширение исследований по изучению поведения радионуклидов в пищевых цепях, ведущих к человеку, с участием сельскохозяйственных растений и животных, а также действия ионизирующих излучений на объекты сельскохозяйственной деятельности сформировали в сельскохозяйственной радиоэкологии два самостоятельных направления: радиоэкологию растений и радиоэкологию животных. 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 радиоэкологии 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.

Основоположником радиоэкологии считают А.А. Передельского. За рубежом работы в этой области возглавил Ю. Одум. Позднее проблемами сельскохозяйственной радиоэкологии стал заниматься академик ВАСХНИЛ В.М. Клечковский. Им были сформулированы основные направления этой науки, состоящие во всестороннем изучении закономерностей переноса радиоактивных веществ в сфере сельскохозяйственного производства. Огромный вклад в развитие сельскохозяйственной радиоэкологии внесли академики РАСХН Н.А. Корнеев, Р.М. Алексин и профессор А.Н. Сироткин. Их работы стали классическим справочным материалом по данной проблеме, они легли в основу практических рекомендаций по ведению животноводства и смягчению радиационных последствий в районах, пострадавших от чернобыльской катастрофы. Они служат базой для исследований, направленных на решение комплекса экологических проблем, связанных с загрязнением среды.

1.2 Классификация радиоактивных веществ

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.

Естественные источники ионизирующих излучений

Космическое излучение. Это ионизирующее излучение, падающее на поверхность Земли из мирового пространства. Первичное космическое излучение образуется на поверхности звезд. Оно состоит в основном из ядер легких атомов: водорода - протонов (79%), гелия - альфа-частиц (20%), лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и других элементов. Лишь немногие частицы достигают поверхности Земли, т.к. они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения (в основном мезоны (70%), электроны и позитроны (26%), гамма-кванты, быстрые нейтроны). Для оценки биологического воздействия вторичное космическое излучение делят по уровню энергии и составу на четыре компонента:

мягкий, или малопроникающий (объединяет электроны, позитроны, гамма-кванты и частично быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ);

жесткий, или сильнопроникающий (в основном мезоны с энергиями порядка 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых протонов с энергией более 400 МэВ, альфа-частиц);

сильноионизирующий (содержит продукты ядерных расщеплений: протоны, альфа-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10-15 МэВ);

нейтронный (нейтроны различных энергий).

На уровне моря космическое излучение состоит в основном из мягкого и жесткого компонентов. Мягкий компонент поглощается слоями свинца толщиной 8-10 см и железа - 15-20 см, жесткий проходит через свинец толщиной более 1м. Частицы мягкого и жесткого компонентов, обладая большими энергиями в веществе, создают наименьшую плотность ионизации. Поэтому их относительная биологическая эффективность (ОБЭ) приравнивается к 1. Частицы сильноионизирующего компонента имеют большую плотность ионизации. Их ОБЭ равна 10. Доза космических лучей в биологических тканях на 11% больше, чем в воздухе, т.к. сверхбыстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов С, N и О в тканях, вызывают их расщепление с образованием быстрых нейтронов, которые создают дополнительную ионизацию.

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.

1.3 Искусственные источники ионизирующих излучений

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. При достаточном количестве делящегося материала возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера. При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) .

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.

Радионуклиды конденсируются на веществах, вовлеченных в сферу взрыва. При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер легких элементов - дейтерия и трития и образование более тяжелого ядра гелия, происходящее при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации: трития, бериллия, С.

Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный и т. д.), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осадков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт и др. Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы радиоактивных продуктов деления способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т.е. наступает глобальное загрязнение. Радиоактивные продукты деления могут находиться в тропосфере около 2-3 мес, в стратосфере - 3-9лет.

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.

Глава 2. Воздействие радионуклидов на сельскохозяйственную среду

2.1 Пути поступления 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. Например, при сбрасывании радиоактивных отходов в реку Колорадо (США) было зарегистрировано увеличение содержания радионуклидов в 400 раз.

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. При этом установлено, что основное воздействие излучения на население обусловлено потреблением продуктов питания, выращенных на загрязненных территориях, и в основном молока. К настоящему времени в мире произошло несколько крупных радиационных аварий, среди которых наибольший ущерб нанесла чернобыльская. При радиационной аварии выделяют несколько периодов в развитии радиационной ситуации. Первый период называют периодом йодной опасности. Вследствие короткого периода полураспада изотопов йода этот период непродолжителен и завершается в течение нескольких месяцев. При поедании животными загрязненных йодом кормов происходит его интенсивный переход в молоко и мясо. Второй период в развитии радиационной обстановки начинается после распада короткоживуших радионуклидов и сопровождается преимущественно некорневым загрязнением кормовых угодий. Заканчивается этот период с завершением первого послерадиационного срока вегетации растений. Третий период радиоэкологической ситуации в агропромышленном комплексе начинается со второго срока вегетации растений после радиационных выпадений. В этот период основным путем поступления радионуклидов в растения является корневой. Продолжительность периода может быть несколько десятков лет, если в составе аварийных выбросов присутствует большое количество долгоживущих изотопов Cs, Sr, Pu и др.

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. Первый ведет себя сходно с кальцием, второй - с калием. Это обстоятельство имеет практическое значение для радиохимической экспертизы. Например, установлено, что при равных условиях в объектах биосферы, загрязненных радионуклидами, максимальная концентрация Sr всегда обнаруживается в органах (продуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлупа), а максимальная концентрация Cs - в объектах, богатых калием (например, мышцы).

Содержание Sr по отношению к кальцию в почвах, растениях, молоке и тканях животных выражают в стронциевых единицах (СЕ). Под стронциевой единицей понимают отношение активности (Ки) Sr, содержащегося в 1 кг исследуемого образца, к концентрации в нем кальция (г/кг).

2.2 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. Они могут связывать до 60% Cs и этим препятствовать его дальнейшей миграции по пищевой цепочке.

Попавшие в растения радионуклиды концентрируются в корнях, в надземной части растений, преимущественно в стеблях, листьях, семенах и т.д. Состояние и обмен радионуклидов в органах и тканях животных зависят от многих причин, в том числе и от их физико-химических свойств, среди которых важная роль принадлежит их способности к комплексообразованию. Такие элементы, как стронций и кальций, не обладают сильно выраженной комплексообразующей способностью. В крови они связаны с белками. Кальция, связанного в крови белками, примерно в 2 раза больше, чем стронция. Изотопы редкоземельных элементов Y и Се обладают выраженной способностью к комплексообразованию и связыванию белками. Так 96 % полония, содержащегося в эритроцитах, связано с гемоглобином. Чем выше способность радионуклидов образовывать комплексы с белками, тем меньшая доля элементов переходит из организма матери через плацентарный барьер в организм плода. Изменение температуры не оказывает существенного влияния на связь Ca, Sr, Ba и Ra, 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.

Железо относится к наиболее важным микроэлементам, обладающим каталитическими функциями. Транспорт железа в животном организме осуществляется путем соединения его со специальным белком - трансферином, являющимся бета-глобулином. Каждая молекула трансферина способна связать два иона Fe, определяя общую железосвязывающую способность сыворотки крови. Способность белков сыворотки крови и тканей связывать радионуклиды образует следующий специфический ряд:

Na = Cs = K < Sr < Са < Y = Се.

Иттрий и церий в отличие от стронция связываются главным образом органическим матриксом кости, а не минеральной фракцией. Введенный в организм Се быстро проникает в костную ткань, и свыше 90% его откладывается в коллагеновых волокнах кости, Y, Ce и Tu связываются в костной ткани в основном минеральной фракцией. Опыты по изучению поведения в печени Ru показали, что уже через 3 ч после введения радионуклида он практически полностью связывается белком. Через сутки после поступления Ru в организм он образует связи белками всех фракций. Сравнительные исследования взаимодействия плутония (Ри), америция (Am) и кюрия (Cm) с белками сыворотки различных млекопитающих и другими тканевыми структурными компонентами. В клетках печени, семенников, надпочечников все три элемента связываются с лизосомными структурами. Ри способен прочно связываться с белками костной ткани вблизи клеток на эндостальной поверхности, что может быть одним из факторов. В первые 6-12 ч после затравки животным Ри очень быстро 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.

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 в бульон. Следовательно, в случае загрязнения мяса животных и рыб Се 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% его представлено в виде фильтрующейся формы. Причем стронций связан с казеином молока прочнее, чем кальций. В крови характер связи этих ионов имеет противоположную направленность.

2.3 Некорневое поступление радионуклидов в кормовые культуры и загрязнение ими продукции животноводства

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.

Через листья в растения проникает от 20 до 60% 137Cs. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в значительно больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие. В зависимости от погодно-климатических условий время потерь радионуклидов растениями изменяется. Период полупотерь фракции радионуклидов стронция разными сельскохозяйственными культурами составляет от 2 до 28 сут. Сведения о скорости полуочищения поверхностно загрязненных кормовых растений от радионуклидов имеют прикладное значение для составления прогноза уровня радиоактивного загрязнения растений и принятия мер снижения поступления радионуклидов в кормовые культуры. Сведения о количестве и длительности пребывания радионуклидов на стеблях имеют важное значение для определения рациональных сроков и технологии уборки урожая.

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 90Sr,131I и 137Cs, менее подвижны 106Ru, 144Се.

2.4 Радиоактивное загрязнение лесных фитоценозов

При выпадении радиоактивных веществ на территории лесных массивов значительная часть радионуклидов опускается и задерживается кронами деревьев, осаждаясь на листьях, хвое и коре, другая их часть попадает под полог деревьев в травяной покров, лесную подстилку и почву. На опушке леса с наветренной стороны до 50 м в глубь леса их задерживается в 2-10 раз больше, чем в лесных массивах. В хвойных лесах самоочищение происходит медленнее. Обычно на это требуется 3-4 года. Перемещаясь в лесной подстилке и почве, радионуклиды ими прочно фиксируются. В последующем лес надежно предотвращает перенос радионуклидов с водой и ветровой перенос их, способствуя тем самым стабилизации радиоэкологической обстановки на загрязненных землях. Однако со временем в загрязненном лесу усиливается процесс корневого поступления радионуклидов в лесную растительность.

Во время аварии на ЧАЭС наибольшему радиоактивному загрязнению подверглись лесные фитоценозы, особенно хвойные. В них выпало радионуклидов в 5 раз больше, чем на пашне и лугах. Леса служили естественными фильтрами, задерживающими радиоактивные аэрозоли. Исследования радиоэкологической обстановки в лесных комплексах показали, что в год аварии на ЧАЭС до 20% выпавших на территории радионуклидов было адсорбировано на поверхности хвои (листьев), веток и стволов древесных пород. К 1990 г. эта величина составляла менее 1%. В первые 2-3 мес с момента аварии основная масса радионуклидов (до 95%) находилась в лесной подстилке. В настоящее время гамма-активность почв и растений в основном обусловлена Cs, бета-активность - Sr, альфа-активность - изотопами Ри.

В живом напочвенном покрове лесных насаждений высокой удельной радиоактивностью обладают зеленые мхи и лишайники. Шляпочные грибы имели значительную радиоактивность, на 1-2 порядка выше, чем у сосудистых высших растений. Большой активностью отличались также земляника, малина, черника за счет аккумулирования Sr, Pu.

2.5 Миграция радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам

Скорость и размеры корневого усвоения радионуклидов растениями определяются растворимостью радиоактивных веществ, и физиологическими особенностями растений. Накопление радионуклидов сильно зависит от типа почв: хуже они всасываются из сероземов и черноземов, а лучше всего из торфоболотных и легких почв (песчаные и подзолистые). При некорневом пути поступления более подвижным является Cs. Поступление'"Sr и других радионуклидов происходит при этом в десятки раз медленнее. При корневом поступлении наиболее подвижным является '"Sr. Cs сильнее сорбируется почвой и поэтому в относительно меньших количествах переходит из почвы в растения. По корневому пути из почвы во все последующие годы после выпадения радионуклидов происходит загрязнение грибов, ягод, дикорастущих плодов, лекарственных и кормовых 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. Данный факт может иметь определенное значение при оценке загрязнения естественных и культурных сенокосов и пастбищ в целях разработки мероприятий по дезактивации и рационального их использования. В период массированных глобальных радиоактивных выпадений (1963...1964 гг.) было отмечено, что уровень загрязнения растений в северных районах существенно выше, чем в южных.

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.

2.6 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:

C=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.

2.7 Поступление радионуклидов в яйца кур-несушек

При попадании с кормом курам-несушкам 131I основное количество его концентрируется в желтке, в котором оно в 20-50 раз больше, чем в белке. При поступлении курам-несушкам Cs распределение радионуклида по компонентам яйца также неравномерно. Концентрация Cs в белке превышает концентрацию в желтке в 2-3 раза, а в скорлупе содержится лишь 1...2 % общего количества радионуклида в яйце. Переход радиоактивных продуктов из корма в компоненты яйца и в яйцо не зависит от сезона года.

Переход важнейших радиоактивных продуктов нейтронной активации из корма в яйцо кур имеет свои особенности. Хроническое оральное поступление Zn и Fe в организм птицы сопровождается первоначальным ростом концентрации их в яйце. Максимальная концентрация Zn в скорлупе, белке и желтке наблюдается на 7-8 и 15-е сутки, a Fe - в течение 8 сут. Из рациона в яйцо переходит 6% Zn и 3% "Fe. Более 99 % радионуклидов сосредоточено в желтке и менее 1 % - в белке и скорлупе.

Глава 3. Сельскохозяйственная деятельность в условиях радиационного заражения

3.1 Особенности ведения сельского хозяйства в ближайший период после выпадения радиоактивных осадков

В период выпадения радиоактивных осадков главная задача ветеринарной радиологической службы - контроль радиационной ситуации, прогноз состояния здоровья животных в ближайшее время и в перспективе, а также загрязненности получаемой продукции. Если плотность радиоактивных выпадений высокая и существует реальная опасность массовых и глубоких поражений животных, то их необходимо перевести на стойловое безвыгульное содержание, а молодняк - на подсос, а в последующем организовать эвакуацию скота. Данная ситуация наблюдалась в 30 километровой зоне вокруг чернобыльской АЭС. В этот период с целью защита щитовидной железы от поражении радиоактивным йодам животным обязательно дают препарат КI и организуют водопой.

Через 4….6 суток после окончания выпадения радиоактивных осадков и распада, коротко живущих изотопов реальная опасность поражение людей снижается в сотни раз. Основная задача в этот период - определение примерного радионуклидного состава выпадения, плотности радионуклидного залегания, степени загрязнения кормов и кормовых угодий необходимо провести диспансеризацию всего поголовья с целью сортировки животных.

На опыте чернобыльской катастрофы были разработаны простые объективные тесты оценки состояния и жизни способности животных. Согласно им при сортировки необходимо выявлять животных со следующими изменениями: нарушение органов дыхания, с ректальной температуры ниже 37 градусов С, содержанием лейкоцитов в венозной крови 5000 в одном мм3, толщиной кожной складки в области шеи более 12 мм, длинной волос на холке более 80мм и курчавостью.

У таких животных выборочно исследуют титры аутоантител к тканям щитовидной железы и определяют радиоиммунологическим методом уровень тиреоидных гормонов в сыворотке и плазме крови. Производят контрольный убой животных (5% общего числа), у которых определяют массу щитовидной железы и оценивают состояние околопочечной и перикардиальной жировой ткани. Состояние органов дыхания с помощью функциональной нагрузке - перегона животных в течении 1..3 мин. После этого выявляют животных с хриплом везикулярном и затрудненном дыхании и кашлем.

Каждую складку определяют в области шеи с помощью кутиметра или штангенциркуля.

При повышении титров аутоантител к тканям щитовидной железы более 2,5 балла, снижении концентрации тироксина менее одного мкг/100мл и массы щитовидной железы меньше 4 грамм, при наличии слизистого перерождения околопочечной или перикардиальной жировой ткани животных выбраковывают. А остальных животных либо эвакуируют, либо содержат на месте с соблюдением комплекса мер, направленных на снижение последующей дозовой нагрузке и радионуклидного загрязнения организма. При первой же возможности этих животных заменяют на новые, не попавшие под йодное воздействие поголовья, предварительно проведя комплекс мер при жизненной очистки организма с целью получения пригодной в пищу продукции.

Задача ветеринарной службы - проведение мероприятий, направленных на снижение заболеваемости крупного рогатого скота вирусными, бактериальными инфекциями и незаразными болезнями, на профилактику нарушений иммунной системы, обмена веществ. Вакцинацию животных проводят по обычной схеме. В пострадавших хозяйств исследуют всех животных на туберкулез и бруцеллез, положительно реагирующих сразу отправляют на санитарный убой. Для формирования полноценного колострального иммунитета у телят необходимо добиваться высокого титра антител в молозиве матери, предварительно обработав их вакцинами к основным возбудителям. Телятам в первый день после рождения вводят молозивные иммуноглобулины в дозе 1…2 мл/кг массы животного. При болезнях вирусной этиологии, эффективен миксоферон, в сочетании с антимикробными средствами и поливалентной гипериммунной сывороткой против инфекционного ринотрахеита, парагриппа - 3, вирусной диареи и аденовирусной инфекции в дозах 0,5…1 мл/кг массы животного внутримышечно 3…5-кратно.

Для разработки планов ведения сельского хозяйства на загрязнённой территории необходима информация о радиационной обстановки в соседних хозяйствах (для руководителей хозяйств), в районе, области, крае -- для руководителей агропромышленного производства этих административных единиц. Такая информация позволяет правильно решать вопросы наиболее рационального использования территорий с различными уровнями радиоактивного загрязнения. Получив всю необходимую исходную информацию, можно приступить к составлению планов проведения мероприятий. На первом этапе целесообразно разделить территорию на отдельные зоны в зависимости от плотности загрязнения, таких зон можно выделить три (разумеется, такое деление условно).

К первой зоне можно отнести ту часть сельхоз. угодий, которая наименее загрязнена и на которой можно получить продукцию с допустимым уровнем содержания радионуклидов без проведения каких-либо дополнительных мероприятий и без изменения технологий. Минеральные и органические удобрения вносят в дозах, обеспечивающих получение оптимальных стабильных урожаев. Известкование кислых почв проводится в соответствии с планом, с учётом требований и отношения с/х культур к изменению кислотности почвенного раствора. В этой зоне все виды работ в сельском хозяйстве ведутся без ограничений по обычным технологиям, получаемая продукция используется по прямому назначению без каких-либо ограничений.

Ко второй зоне можно отнести сельскохозяйственные угодья, расположенные на территории со средними уровнями радиоактивного загрязнения (ориентировочно плотность загрязнения радионуклидами в 3-4 раза выше, чем в первой зоне). Во второй зоне необходимо проводить мероприятия по снижению содержания радионуклидов в сельскохозяйственной продукции (весь комплекс агрохимических, агротехнических мероприятий). Для снижения содержания радионуклидов в продуктах питания рекомендуется широко использовать различные способы обработки и переработки сельскохозяйственной продукции. К третьей зоне относятся сельскохозяйственные угодья с относительно высокими уровнями радиоактивного загрязнения (ориентировочно плотность загрязнения радионуклидами в 8-10 раз выше, чем в первой зоне). На такой территории ведение сельского хозяйства разрешается только при строгом контроле. В третьей зоне совершенно необходимо применение всего комплекса агрохимических, агротехнических мероприятий. Однако даже при осуществлении не всегда можно гарантировать снижение содержания радионуклидов в продукции до предельно допустимых уровней. В условиях радиоактивного загрязнения сельскохозяйственное производство должно осуществляться при условии полной радиационной безопасности для работающих и проживающих на этой территории людей. Для них источниками радиационного воздействия является внешнее гамма-излучение от выпавших радиоактивных осадков и излучения от радионуклидов, поступивших в организм. В связи с этим важное значение имеют данные об уровнях гамма-радиации, плотности загрязнения угодий радионуклидами, радионуклидном составе радиоактивных выпадений, а так же их биологической доступности.

3.2 Техника радиационной безопасности при работе с радиоактивными веществами в сельском хозяйстве

Радиоактивные изотопы и другие источники ионизирующих излучений, обладающие биологическими действием, представляют потенциальную опасность для здоровья человека в результате возможного как внешнего, так и внутреннего облучения. Чтобы работа с радиоактивными веществами (РВ) была максимально безопасной, необходимо строго соблюдать требования правил работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений. Эти документы в законодательном порядке регламентируют основные требования по обеспечению радиационной безопасности и распространяются на все предприятия и учреждения всех министерств и ведомств, которые производят, обрабатывают, применяют, хранят, транспортируют естественные и искусственные радиоактивные изотопы и другие источники ионизирующих излучений, перерабатывают и обезвреживают радиоактивные отходы.