Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет

им. С. Торайгырова

А.П.Бондаренко

Основы радиационной экологии

Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей

Павлодар

УДК 504.5(075.8)

ББК 20.1я7

Б81

Рекомендовано Учёным советом ПГУ им. С. Торайгырова

Рецензент:

к.п.н., доцент Хамзина Ш.Ш.

Б81 Бондаренко А.П.

Основы радиационной экологии: учебно-методическое пособие. — Павлодар, 2007. — 100 с. — Ч. 2.

В данном пособии первой из них мы обозначили проблему, описанооописано взаимодействие ионизирующего излучения с веществом, действие радиации на живые организмы, миграция радионуклидов по элементам биосфера и радиационный мониторинг. Приведены основы радиационной безопасности. Дана методика расчета допустимых уровней облучения 

Учебное пособие рекомендуется студентам естественных специальностей.

УДК 504.05(075.8)

ББК 20.1я7

ÓБондаренко А.П. 2007

ÓПавлодарский государственный университет им С. Торайгырова, 2007

Введение
Экологическая обстановка практически во всех регионах земного шара остается неудовлетворительной. Высокая техногенная нагрузка на природные ресурсы ухудшает состояние окружающей среды и снижает плодородие почв. Выбросы радиоактивных элементов в окружающую среду существенно изменили радиационную обстановку в биосфере, что оказало огромное влияние на все экологические взаимоотношения.

Радиационный фон - постоянно действующий экологический фактор, который играл важную роль в формировании и эволюции живого вещества и оказывает постоянное влияние на биоту. Ес­тест­венная ионизация обусловлена космическим излучением и радионуклидами, со­держащимися в земной коре, воде и воздухе. В результате ядерных взрывов, особенно в атмосфере, важной составляющей радиационного воздействия на биосферу, стало антропогенное загрязнение окру­жающей среды, обусловленное интенсивным выбросом расщепляющихся ма­териалов, в том числе и долгоживущих, многие из которых активно вовлекаются в биогенный круговорот веществ. Несмотря на существенное снижение техногенных выбросов радиоактивных элементов в окружающую среду за последние десятилетия - эта проблема будет иметь значение еще длительное время, из-за глобального загрязнения поверхности Земли и продолжительного периода полураспада некоторых радионуклидов.

Облучение человека и животных радионуклидами, поступившими в среду обитания, складываются из внешнего облучения радионуклидами, осевшими на почвенно-растительный покров земной поверхности, облучения радионуклидами, поступающими в организм через органы дыхания, а также облучения поступившими внутрь организма через пищеварительный тракт с пищей и водой. Последний из перечисленных способов облучения является доминирующим в настоящее время на территориях, содержащих повышенные уровни радиоактивных элементов.

Радиационное воздействие техногенного происхождения изменяется со временем и вопрос его последействия на живые системы требует изучения, как из-за отсутствия полной картины влияния хронического облучения на отдельный организм низкими и сверхнизкими дозами ионизирующего излучения, так и из-за слабой изученности системных изменений в биосфере при длительном влиянии измененных и новых экологических факторов.

Цель данного пособия – дать представление о радиационных явлениях, естественных и искусственных источниках ионизирующего излучения показать их распространение в природных объектах и живых организмах и их роль в действии на здоровье человека и других видов, а также дать понятие о радиационном экологическом мониторинге и радиационной безопасности.

1 Ионизирующее действие радиационных излучений
В первой части пособия мы рассмотрели явление ионизации, как способность некоторых частиц, обладающих достаточно большой энергией, выбивать электроны с внешних оболочек атомов. Ионизирующее излучение (ИИ) - это потоки частиц и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к возбуждению его атомов, и к ионизации вещества. Ионизация электрически нейтральных атомов и молекул обуславливает образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов.
 1.1 Ионизация в газе и жидкости

Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его ионизации, необходимо затратить некоторую энергию, которую называют энергией ионизации. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химического соединения), ионизирующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия ионизации одинакова. Простейший акт ионизации - отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положительного иона – рисунок 1.

На рисунке 1 показано, что электрон выбивается энергией γ –кванта, который должен обладать значительной энергией, чтобы не просто перевести электрон на более высокую энергетическую орбиту, а удалить его за пределы сил притяжения ядра. Энергию ионизации в объект облучения могут переносить не только γ –кванты, но и электроны, мезоны, протоны, нейтроны, другие частицы и их античастицы.

Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов ионизации, может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону.

 Если энергия ионизации сообщается ионизуемой частице другой частицей (электроном, атомом или ионом) при их столкновении, то ионизацию называется ударной. Вероятность ударной ионизации (характеризуемая эффективным поперечным сечением ионизации) зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от их кинетической энергии. До некоторого минимального (порогового) значения кинетической энергии эта вероятность равна нулю, при ее увеличении выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает.

Если энергии, передаваемые ионизуемым частицам в столкновениях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с однозарядными, и многозарядных ионов (многократная ионизации). При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить ионизация не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц.

Ионизация может вызываться не только частицами, налетающими извне. Когда энергия теплового движения атомов (молекул) вещества достаточно велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает при температурах ~10³ - 10⁴K, например, в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах.

Процессы, в которых ионизуемые частицы получают энергию ионизации от фотонов (квантов электромагнитного излучения), называют фотоионизацией. Если атом (молекула) невозбуждён, то энергия ионизующего фотона h (h - постоянная Планка,  - частота излучения), должна быть не меньше энергии ионизации. Для всех атомов и молекул в газах и жидкостях эта величина энергии такова, что ей удовлетворяют лишь ультрафиолетовые и более жёсткие фотоны. Однако фотоионизацию наблюдают и при h < W, (W - энергия ионизации), например при облучении видимым светом.

Объясняется это тем, что она может иметь характер ступенчатой ионизации: вначале поглощение одного фотона возбуждает частицу, после чего взаимодействие со следующим фотоном приводит к ионизации. В отличие от ударной ионизации, вероятность фотоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона h < W, а затем с ростом частоты падает. Максимум сечения фотоионизации в 100—1000 раз меньше, чем при ударной ионизации. Меньшая вероятность компенсируется во многих процессах фотоионизации значительной плотностью потока фотонов, и число актов ионизации может быть очень большим.

Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе разнообразных применений процессов ионизации, а с другой стороны, даёт возможность измерять степень ионизации этих сред, т. е. отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной концентрации нейтральных частиц.

Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его ионизации пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной ионизации в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до высокой температуры). При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.

Особенность ионизации жидких растворов состоит в том, что в них молекулы растворённого вещества распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внешнего ионизатора, за счёт взаимодействия с молекулами растворителя. Взаимодействие между молекулами приводит к самопроизвольной ионизации и в некоторых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты).

1.2 Ионизация в твёрдом теле

Процесс превращения атомов твёрдого тела в заряженные ионы, связанный с переходом электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости (в случае примесных атомов - с потерей или захватом ими электронов). Ионизация происходит также, если через вещество проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц. При этом нужно учитывать, что изменения в веществе вызывает только поглощенная энергия. Доза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В системе СИ поглощенная энергия измеряется в Греях (Гр) – 1 Гр – это такая энергия радиационного воздействия, при котором в одном килограмме вещества запасается 1 Дж энергии. Часто используют несистемную единицу – рад, 1 Гр = 100 рад.

1 Гр = .
Живой объект можно рассматривать как совокупность трех фаз: жидкой, твердой и газообразной, поэтому при действии факторов ионизирующего излучения необходимо учитывать особенности ионизации в этих средах, с учетом эффективности поглощения и преобразования энергии.
2 Действие ионизирующих излучений на живые объекты
Биологическое действие ионизирующих излучений - изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета - излучения, протонов) и нейтронов.

Исследования влияния ионизирующих излучений на биологические объекты были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования биологического действия ионизирующих излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии.

Первичное действие радиации произвольного вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. Ионизация органических молекул обуславливает возникновение свободных радикалов, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, расстраивают процессы жизнедеятельности в этом проявляется прямое действие излучения.

При ионизации молекул воды в живом организме, состоящем до 90% из воды, в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке, что обеспечивает косвенное действие излучения.

При облучении в дозе 1000 Р (что соответствует поглощенной дозе порядка 10 Гр) в клетке средней величины (10^-9 г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма.

Большую роль играет миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к нарушению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологического действия ионизирующего излучения, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли секунд – рисунок 2.

Биохимические повреждения, в зависимости от места действия, могут оказать влияние на организм, получивший дозу, вызывая соматические эффекты, среди которых лейкоз, рак, уменьшение продолжительности жизни и другие, или на регенеративные органы, в этом случае возможна передача генетических повреждений (мутаций) отдаленным потомкам.

Для действия ионизирующих излучений на биологические объекты характерен ряд общих закономерностей:

1) глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое

Рисунок 2 - Схема развития лучевого повреждения (в центре) и способы воздействия на него (справа) (Кузин А.М.)
повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки - «мишень»;

2) действие ионизирующего излучения на биологические объекты не ограничивается организмом, подвергнутым облучению, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется влиянием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит вопросы изучения биологического действия ионизирующих излучений, защиты организма от излучений и ограничения распространения ядерных воздействий на биосферу;

3) для действия ионизирующих излучений на биологические объекты характерен скрытый (латентный) период. Развитие лучевого поражения наблюдается не сразу и зависит от вида ионизирующего излучении, состояния организма и ряда других факторов. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при

облучении в очень больших дозах (тысячи Гр) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза - LD ⁵⁰/₃₀) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550-650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000-20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы - 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы - на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения).

Все эти особенности воздействующего лучевого фактора определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для ионизирующего действия, испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а, следовательно, и характер облучения организма.

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению макроэргических (богатых энергией) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Таким образом, в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект).

При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000 - 20 000 р (величина порядка 100-200 Гр) наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

 Сравнительное изучение чувствительности ядра и цитоплазмы к радиационному воздействию показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки более радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей - растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь.

Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей - перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Ионизирующее излучение также обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов.

Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 10 Гр часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5-20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

 Для действия ионизирующего излучения на биологические объекты характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время – рисунок 2. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации).

Лучевое повреждение организма сопровождается также процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем интенсивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения - космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды. Испытания атомного оружия и применение атомной энергии в мирных целях повышают радиоактивный фон. 

В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.
2.1 Действие ионизирующих излучений на микроорганизмы

Микроорганизмы, по чувствительности к радиационному действию, обычно располагают в таком порядке: - наиболее чувствительны бактерии, затем плесени, дрожжи, споры бактерий, вирусы. Однако это разделение не абсолютно, так как среди бактерий есть виды более радиоустойчивые, чем вирусы.

Радиочувствительность микроорганизмов модифицируют различные факторы, как внутренние: генетическая природа самой клетки, жизненная фаза клетки и другие, так и внешние: температура, концентрация кислорода и других газов, состав и свойства среды в которой производится облучение, а также тип радиационного воздействия и его мощность и другие факторы. Радиочувствительность микроорганизмов значительно ниже, чем у растений и животных на 1-2 порядка, в ряде случаев бактерицидный эффект для некоторых видов может быть достигнут только при значительных дозах: 1-2 Мрад.

Уже на первых этапах исследования радиационной чувствительности микроорганизмов было показано, что при дозе 5000 Р значительно снижается выживаемость кишечной палочки, а при дозе 20 кР погибает 95 % бактерий. Культура микроорганизмов каждого вида содержит смесь клеток, различных по чувствительности к радиации. Например для культуры кишечной палочки 66% LD₅₀ соответствовала доза 1,2 крад, а для 34 % бактерий – 3,5 крад. При облучении бактерий кишечной группы гамма лучами, их инактивация происходит в пределах от 24 до 168 крад, а гибель всех клеток при дозах около 300 крад.

Для получения одинакового биологического эффекта у различных видов микроорганизмов требуются различные дозы излучения. Эти различия зависят от ряда биологических особенностей облучаемых бактерий, условий облучения, влияния внешней среды и других факторов. Особое значение придается неодинаковой чувствительности нуклеинового обмена и ДНК различных организмов к радиационному облучению.

Чувствительность бактерий к радиации значительно изменяется внутри одного и того же вида и, даже, популяции бактериальных клеток. Популяция клеток состоит из бактерий, располагающихся по устойчивости к радиации в вариационный ряд, так же, как и по другим биологическим признакам. Поэтому в популяции всегда присутствуют особо радиорезистентные клетки, для того, чтобы их убить, нужно облучать более мощными дозами, чем те, при которых погибает основная масса клеток более радиочувствительных. Грамположительные бактерии менее чувствительны к облучению, чем грамотрицательные.

Споры бактерий обладают очень низкой радиочувствительностью, но и среди неспорообразующих микроорганизмов известны организмы радиоустойчивость которых может превышать устойчивость спор. Чаще всего они принадлежат к кокам или сарцинам. Известны микрококки, у которых полулетальная доза равна 400 крад (4 кГр). При лучевой стерилизации мяса, рыбы и других продуктов наиболее часто после облучения в дозах от 600 до 1500 крад обнаруживали кокков. Примером высокой радиоустойчивости могут быть также бактерии, выделяемые из вод атомных реакторов.