Радиоактивное загрязнение

Антропогенное изменение радиоэкологической ситуации произошло в течение относительно короткого периода времени — около 70 лет. Введение в биосферу большого количества естественных и искусственных делящихся элементов в глобальном и региональном масштабах привело к концентрации их в пищевых цепях, непосредственно используемых человеком^[1].

В настоящее время в природную среду поступило большое количество радионуклидов, больше 60, извлекаемых из недр Земли вместе с углем, нефтью, газом, минеральными удобрениями, строительными материалами. В результате хозяйственной деятельности человека создано несколько сотен искусственных радионуклидов. Подсчитано, что при получении урана образуется значительное количество радиоактивных отходов. Отходы будут оставаться радиоактивными в течение миллионов лет и являются главным источником облучения людей.

Радионуклиды, попавшие в живой организм, называются инкорпорированными. Находясь в течение некоторого времени в органах и тканях, радионуклиды создают внутреннее облучение живого организма. Поглощенная доза при внутреннем облучении может быть сопоставима с биологическими последствиями, и в этом смысле она выступает в качестве меры радиационной опасности тех радиоактивных веществ, которые, находясь во внешней среде, могут попасть внутрь организма. Вполне понятно, что на величину дозы влияют вид и энергия ионизирующего излучения, испускаемого радионуклидами.

Для представителей животного мира существуют три главных пути попадания радионуклидов из внешней среды: пероральный путь через органы пищеварения, ингаляционный путь через органы дыхания и резорбция через кожу. Загрязнение растений радионуклидами происходит в основном через корневую систему. Наиболее интенсивно в биологический круговорот включаются такие радионуклиды, как тритий, С-14, Р-32, 5-35, К-40, Са-45, Бе-55, 5г-90, Сз-137, радиоизотопы йода. Активно внедряются в живые организмы радионуклиды семейств урана и тория. Накапливаясь в растениях, они по пищевым цепям поступают в ткани и органы животных и человека, вызывая внутреннее облучение. Особенно опасны инкорпорированные радионуклиды для растущих и молодых организмов.

Например, 5г-90, который близок по химическим свойствам с кальцием, переходит из растений в организм коровы, с молоком или молочными продуктами поступает в организм человека и накапливается в костной ткани и костном мозге, вызывая опухоли костей и лейкозы. Перенос стронция из почвы в костную систему человека осуществляется с коэффициентом, равным 7,6 %. Скелетными радионуклидами являются также уран, радий, свинец. Вместе с растительной пищей в организм человека поступает близкий по химическим свойствам к калию Сз-137, который с коэффициентом, равным примерно 3 %, накапливается в печени и в половых железах, что приводит к возникновению наследственных изменений в потомстве. В щитовидной железе, особенно при дефиците в ней йода, интенсивно накапливаются радиоизотопы йода, вызывая ее разрушение или рак; щитовидным радионуклидом является также технеций. Тритий, радиоуглерод, калий и многие другие радионуклиды равномерно распределяются в организме. Большое количество радионуклидов поступает в организм человека и животных вместе с пищей не только из наземных, но и из водных экосистем, которые загрязняются как глобальными выпадениями радиоактивных изотопов, так и сбросовыми водами предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Некоторые радионуклиды — Бг-90 и Сз-137 — сравнительно легко выщелачиваются из почв, загрязняя при этом подземные воды, которые могут использоваться для питьевого водоснабжения. В водных системах преимущественную роль играет процесс биоаккумуляции, который может быть интенсивным. Исследование рыбы реки Колумбия показало, что концентрация радиоактивного фосфора-32 (Т_1/2 = 14,3 суток) в тканях рыб в 5000 раз выше, чем в самой реке. Установлено также, что морской фитопланктон аккумулирует радиоактивные вещества с коэффициентом накопления, равным 10⁴.

Для оценки вредного влияния радионуклидов после попадания в организм человека используется биологический период полувыведения, в течение которого половина массы изотопа выделяется из организма (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Значения физического периода полураспада Г_физ и биологического периода полувыделения Г_биол для некоторых радионуклидов

Окончание табл. 3.1

Здесь Т_эфф — период в течение которого ткани организма человека подвергаются облучению радионуклидами. Определение Т_эфф для различных организмов и экосистем представляется одной из приоритетных задач современной радиоэкологии. Необходимо отметить, что при попадании радионуклидов в экосистемы происходит значительное снижение их удельной радиоактивности. После радиационной аварии на уральском комбинате «Маяк» в 1957 г. произошло загрязнение озер, расположенных в Восточно-Уральском заповеднике. Осенью 1957 г. уровень радиоактивности в одном из озер превышал фоновые значения в 2600 раз, в другом — в 1400 раз. Летом 1958 г. превышение составляло 370 и 1000 раз соответственно. Снижение радиоактивности воды происходило вследствие распада короткоживущих изотопов, химической трансформации и сорбции в донные отложения и илы более 90 % радионуклидов. В течение последующих 3—5 лет наблюдались уменьшение удельной радиоактивности в связи с дезактивацией короткоживущих радионуклидов, интенсивный смыв с водосборных территорий в водоемы, закрепление изотопов в донных отложениях, почвах и инкорпорация в биосистемах. В течение последующих 40 лет и более радиоактивность водоемов определяется в основном долгоживущими элементами — ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сг. Устанавливается динамическое распределение радионуклидов в компонентах водного биоценоза. Наблюдается медленное снижение активности и более глубокое проникновение делящихся элементов в донные отложения

Максимальное накопление радионуклидов осуществляется многолетними водорослями и донными отложениями. Накопление загрязнений прибрежной растительностью обусловлено стоками с водосборных бассейнов. Значительное увеличение концентрации радионуклидов в пищевых цепях способствует очищению воды стоячих водоемов и распределению изотопов в экосистеме. Биопродуктивность таких водоемов, в том числе и открытых отстойников жидких ядерных отходов, несколько снижается в период непосредственного загрязнения, восстанавливается через некоторое время и во многих случаях превышает первоначальную. Для всех гидробионтов в зоне радиоактивного загрязнения отмечались повышенная эмбриональная смертность, аномалии развития, цитогенетические нарушения, снижение средней продолжительности жизни и т. д. В то же время численность популяций существующих видов была высокой. На таких озерах, как правило, успешно селятся и размножаются перелетные водоплавающие птицы, остающиеся зимовать, если озера-отстойники не замерзают в связи с регулярным сбросом в них теплых разбавленных радиоактивных отходов.

Относительно высокая численность популяций животных в радиоактивных резервациях объясняется, во-первых, адаптивными способностями быстро размножающихся видов с относительно высокой скоростью смены поколений; во-вторых, отсутствием антропогенного влияния, так как водоемы с радиоактивной загрязненностью и прилегающие к ним территории являются запретными зонами или районами с ограниченным доступом для людей. Естественно, что на эти территории осуществляется активная миграция животных и идет популяционно-видовой отбор на радиорезистентность.

Большую опасность в качестве разносчиков радионуклидов представляет собой мигрирующее птичье население, которое гнездится на загрязненных водоемах, питается в течение летнего сезона биопродуктами с повышенной концентрацией изотопов и в осенний период разносит изотопы далеко за пределы этих водоемов.

Распределение радионуклидов в биогеоценозах несколько отличается по характеру миграции от водных экосистем. В качестве депо делящихся элементов служит почва, высокая концентрация характерна для растительности. В бедных биогенными элементами почвах (тундра, степные ландшафты) в трофических цепях экосистем накопление радиоизотопов происходит интенсивнее, чем в насыщенных. В зависимости от типа почв и количества атмосферных осадков меняется накопление радионуклидов при локальных и глобальных выпадениях.

Максимальное количество загрязнений выпадает в зоне с большим количеством среднегодовых осадков и концентрируется в корнеобитаемых слоях — 0—15 см. Интенсивное накопление стронция-90 характерно для мхов, багульника, черники, кислицы, сосны, осины, в то время как максимальная аккумуляция цезия характерна для мхов и лишайников. Известно, что хвойные породы деревьев содержат повышенное количество радиоактивных элементов, поступающих при атмосферных осадках, поэтому хвойные используются в качестве биоиндикаторов радиоактивного загрязнения.

Накопление радионуклидов животными зависит от места их обитания и от характера питания. Стронций-90 аккумулируется животными, активно потребляющими кальций, цезий-137 преимущественно накапливается позвоночными животными. Необходимо отметить, что ускоренной миграции радионуклидов в почвенном слое экосистем способствуют роющие животные, дождевые черви и вспашка сельскохозяйственных угодий. В среднем накопление стронция-90 в трофических цепях почвенных сапрофагов и растительноядных насекомых происходит практически одинаково в различных климатических зонах, в то время как цезий-137 более интенсивно аккумулируется в смешанных лесах на дерново-подзолистой почве. По оценкам специалистов, животные в среднем накапливают в гумидных зонах 0,006—0,016 %, в аридных — 0,00003—0,0006 % радиостронция, 75—87 % которого от всей зоомассы приходится на беспозвоночных животных: кивсяков, мокриц, дождевых червей, сухопутных моллюсков. Позвоночные животные накапливают ⁹⁰8г, около 16 % в смешанных лесах, 11 % — в широколиственных. Цезий-137 составляет от 0,003 до 0,005 % в гумидных и 0,00002—0,0004 % в аридных зонах от общей зоомассы. Дождевые черви и насекомые накапливают от 56 до 92 % радиоцезия.

Наиболее устойчивой к действию радиации в биогеоценозе является почвенная микрофлора, стерилизация которой наблюдалась при дозах больше 1000 кР, грибы поражались при уровне выше 8 кР. В то же время нарушения половой системы и развития молодых организмов происходили при более низких дозовых нагрузках (10—20 % от ЛД₅₀), что и приводило к снижению численности популяций.

Необходимо отметить, что травянистые растения в среднем в 10 раз более устойчивы к радиации, чем деревья. Например, ЛД₅₀ составляет 380—1200 Р для сосны, для лиственных пород — порядка 2000—10 000 Р. К наиболее радиорезистент-ным относятся мхи, водоросли, лишайники и грибы. Таким образом, повышение уровня радиоактивных загрязнений приводило к деградации биоценозов, элиминации эволюционно более молодых видов растений и животных. Распределение поступивших в организм элементов зависит от типа радиоизотопов и скорости их поступления.

В природных биоценозах наибольшему воздействию облучения из млекопитающих подвергаются мышевидные грызуны. При плотности дозы загрязнения 70—125 МБк/м² и мощности дозы инкорпорированного излучения 10^-3—10~² Гр/сутки наблюдалась повышенная смертность у полевок, увеличивалась эмбриональная гибель, сокращалась продолжительность жизни, возрастала изменчивость морфофизиологических признаков. Анализ динамики численности грызунов в зоне Чернобыльской аварии, подвергшихся длительному хроническому облучению, выявил изменения темпа мутационного процесса, показателей структуры популяций, что привело к радиоадаптации и элиминации радиочувствительных популяций и видов. В связи с тем, что средняя продолжительность жизни мышевидных грызунов составляет около 1 года, морфофизиологические нарушения не оказывали существенного влияния на численность популяций.

Таким образом, можно выделить основные биоиндикацион-ные изменения живых организмов при радиоактивном загрязнении экосистем: снижение численности радиочувствительных видов, видового разнообразия наземных и водных сообществ; формирование относительно упрощенных и устойчивых к радиозагрязнению биоценозов; постепенное в зависимости от снижения радиоактивности развитие восстановительных сукцессионных процессов. Снижение численности и нарушение структуры радиочувствительных популяций происходит в результате изменений в системе воспроизводства: эмбриональная смертность, терратогенез, нарушения в системе оогенеза, сперматогенеза и стерильность, которая компенсируется смещением периодов половой зрелости к ювенальным стадиям.

Повышение генетической и морфофизиологической изменчивости особей является адаптивной реакцией. Наблюдались био-индикационные морфологические отклонения соматического и генетического типа: онкологические заболевания, врожденные недоразвития конечностей, ерошение чешуи, пучеглазие, недоразвитие и аномалии соцветий, листьев и стеблей. Достаточно распространенными являются аномальная пигментация, альбинизм, карликовость и гигантизм у растений. У млекопитающих наблюдались нарушения в системе крови, репродуктивной, дыхательной, эндокринной системах, в надпочечных, щитовидной и половых железах, в печени и почках.

В связи с тем, что радиоизотопы накапливаются в верхнем слое почвы, плоды фруктовых деревьев, корни которых находятся глубже, мало подвержены загрязнениям. В черноземах накопление в растениях радиоизотопов происходит меньше, чем в торфоболотистых, песчаных и подзолистых почвах. Интенсивно накапливают радиоактивные элементы лишайники, мхи, грибы, бобовые, злаки, укроп, петрушка, шпинат, виноград и т. д.

Биомониторинг, как и радиационный контроль, необходимо проводить по периметру ядерного объекта в трех основных зонах с периодичностью не реже одного раза в месяц. Биологические тест-объекты выбирают в зависимости от биоценозов, формирующихся в районе наблюдения. Прежде всего, это растения: хвойные как наиболее чувствительная к радиационному поражению группа растений, многолетние и однолетние травянистые растения. Млекопитающие — мышевидные грызуны и насекомоядные. Птицы — гнездовая экология мигрирующих и оседлых птиц, наблюдения за отклонениями в развитии птенцов. Амфибии и рептилии — в качестве индикаторов уровня прибрежной загрязненности водоемов. Беспозвоночные почвенной мезофауны — обитатели подстилки поверхности почвы, наиболее интенсивно аккумулирующей радиоизотопы: дождевые черви, муравьи и остальные герпетобионты. Паукообразные — свободные охотники и тенетники, паутина которых способна накапливать радиоактивные аэрозоли, а пауки, являясь хищниками, — аккумулировать инкорпорированные радионуклиды.

В качестве биоиндикаторов хорошо зарекомендовали себя ловчие сети пауков-крестовиков, изменение структуры КОТО

рых связано с нарушением поведения пауков пропорционально дозе облучения.

В связи с тем, что основным накопителем радионуклидов является гидросфера, биомониторинг водоемов представляется одним из важнейших компонентов экологического контроля. Радионуклиды, накапливаясь в донных отложениях, распространяются по пищевым цепям и создают долговременную опасность радиоактивного загрязнения водных систем. По степени деградации донных сообществ можно судить о величине суммарной радиоактивной дозы аккумулированных радиоизотопов. Комплексный анализ данных мониторинга территорий позволяет оценивать текущую радиоэкологическую ситуацию и прогнозировать отдаленные последствия.

Основными биоиндикационными показателями радиозагрязнений являются частота онкологических заболеваний, тератогенез и генетические мутации. Систематический анализ состояния здоровья населения является хорошим биометрическим показателем радиоактивного загрязнения местности и должен охватывать более 50 % проживающих по всем основным типам заболеваний: онкологических, сердечно-сосудистых, эндокринных, психологических, врожденных аномалий развития, цитогенетических, иммунных и т. д.

Контрольные вопросы

• 1. Какие биондикаторы тепловых загрязнений существуют?
• 2. Как осуществляется биоиндикация электромагнитных загрязнений?
• 3. Как осуществляется биоиндикация радиоактивных загрязнений?

• [1] Карташев А. Г. Биосфера и человек. Томск : Изд-во ТГУ, 2003.