Миграция радионуклидов в биосфере

изотопов и видовыми особенностями флоры.

Рис. 32. Пути миграции радионуклидов в природе

На рис. 32 отражены воздушные, поверхностные и подземные пути мигра-

ции радиоактивных веществ в окружающей среде. Он примерно соответствует модели, на основе которой рассчитывались дозы облучения населения от радиоизотопов, поступающих в окружающую среду от предприятий атомной энергетики.

Лесные массивы вследствие особенностей миграции радионуклидов самоочищаются только в результате радиоактивного распада, поэтому особенно актуальным является изучение миграционных процессов для составления долговременных прогнозов по использованию леса и лесной продукции и для разработки реабилитационных (Марадулин И.И. и др., 1996).

При передвижении радионуклидов по различным по различным вегетативным частям растений существует определенная закономерность: в основном они концентрируются в листьях и стеблях, меньше – в соцветиях и еще меньше - в самих плодах и семенах.

Исключением является изотоп Cs¹³⁷, концентрация которого в семенах может достигать 10% и более от его содержания в надземной части растений. Отличительной особенностью миграции Cs¹³⁷ в системе «почва – растение» является исключительно высокая мобильность этого радионуклида в регионах распространения легких по гранулометрическому составу песчаных и супесчаных почв подзолистого и болотного типов. Низкий показатель рН этих почв, обогащённость органическим веществом (торфяники), малое содержание глинистых минералов, гидроморфность, невысокая поглотительная способность твёрдой фазы предопределяют очень большие коэффициенты перехода Cs¹³⁷ из почв в растения. Они в 5-10 раз выше, чем на почвах суглинистого и глинистого гранулометрического состава, обогащенных элементами минерального питания растений. В экспериментах на семи разновидностях почв Нечерноземной зоны России, доказано, что накопление Cs¹³⁷ в естественном травостое определяется наличием в почве глинистой фракции (Гребенщикова Н.В. и др., 1983).

В ходе вегетации абсолютное количество радиоизотопов в растениях

возрастает, а относительное содержание на единицу массы сухого вещества снижается. С увеличением урожайности, как правило, уменьшается относительная концентрация радионуклидов.

При потреблении животными растительных кормов или растительной пищи самими людьми происходит их миграция по так называемым «пищевым цепочкам». Чем они короче, тем выше уровень радиоактивности, создаваемый радионуклидом при поступлении в организм конечного хозяина.

Контроль за радиоактивным загрязнением объектов окружающей среды на территории России осуществляется системой радиационного мониторинга(СРМ)Росгидромета. В 2002 г. в составе СРМ фактически функционировали 1279 пунктов наблюдения за мощностью экспозиционной дозы гамма-излучения, 404 - за радиоактивными атмосферными выпадениями, 49 - за концентрацией радиоактивных аэрозолей в воздухе, 28 - за содержанием трития в атмосферных осадках, 14 - за его концентрацией в водах рек, 42 - за концентрацией Sr⁹⁰ в водах рек и озер, 9 - за его концентрацией в морях.

В период 1995 - 2002 г.г. на территории России среднегодовые концентрации в воздухе долгоживущих β-активных радионуклидов и их выпадения на подстилающую поверхность имели слабую тенденцию к уменьшению. С 1998 г. среднегодовые суточные выпадения этих радионуклидов оставались практически неизменными. Анализ всей совокупности экспериментальных данных показал, что в 2002 г. радиационная обстановка на территории Российской Федерации была нормальной и по сравнению с 2001 г. существенно не изменилась.

Загрязнение атмосферы техногенными радионуклидами на территории РФ в настоящее время, в основном, обусловлено ветровым подъемом и переносом радиоактивной пыли с поверхности почвы, загрязненной в предыдущие годы в процессе глобального выведения из стратосферного резервуара продуктов испытаний ядерного оружия.

В отдельных районах России на радиоактивное загрязнение приземной атмосферы оказывает влияние ветровой перенос радиоактивных продуктов с загрязненных территорий, появившихся вследствие произошедших радиационных аварий.

В радиологии существует понятие коэффициента дискриминации. Это отношение содержания уровня какого-либо радиоизотопа в последующем звене пищевой цепи к предыдущему.

Наиболее важными изотопами, легко поглощаемыми растениями из окружающей среды, являются Sr⁹⁰, Cs¹³⁷иС^14.

Стронций не принадлежит к числу редких элементов. В земной коре его содержится 3,4 ^. 10^-2 % от общей массы. Обычно этот элемент присутствует в минералах кальция. Из собственных стронциевых минералов промышленное значение имеют лишь стронцианит (SrCO₃) и целестин (SrSO₄).

Стронций - серебристо-белый, мягкий, пластичный металл плотностью

2,6 г/ см³ и, плавящийся при 770°C. Химически он очень активен, как и все щелочноземельные металлы. Степень окисления +2. Стронций непосредственно соединяется при нагревании с галогенами, фосфором, серой, углеродом, водородом и даже с азотом (при температуре выше 400°С).

Стронций-90 по своим химическим свойствам аналогичен кальцию и сопровождает его в ходе обменных процессов. Причем, чем выше концентрация кальция в почве и воде, тем в меньшей степени из них усваивается стронций. Период его полураспада равен приблизительно 29 годам.

На поверхности почвы основное количество последнего распределяется на глубину 10-15 см, откуда он может поступать и накапливаться в стеблях, листьях и плодах. На почвах с невысоким уровнем загрязнения стронцием-90

(0,1 Ки/км²) наименьшее его количество обнаружено в горохе, а наибольшее - в сое. Доказано, что среди корнеплодов меньше всего радионуклидов содержится в картофеле. Выпадающий с радиоактивными осадками стронций может частично проникать и через листовые пластинки. Одним из приемов, снижающих усвоение стронция из почвы, является ее кальцинирование и глубокая вспашка.

Так, по прогнозу Бакунова Н.А.(1998), стронций - 90, диффундирующий из гумусного слоя почвы с глубины 0,5 м, не достигнет за 28 лет миграции (периода своего полураспада) пахотного горизонта. При восходящей миграции Sr-90 в толще чернозема верхние гумусные слои являются барьером, ограничивающим перенос радионуклида к поверхности почвы.

В марте 1954 г. над атоллом Бикини, расположенным в южной части Тихого океана, поднялось гигантское грибовидное облако - результат испытаний американской водородной бомбы. Спустя несколько часов на палубу японского рыболовного судна «Фукурю-Мару», находившегося в открытом море более чем в 150 км от эпицентра взрыва, начали падать грязно-белые хлопья радиоактивных осадков.

Рыбаки прекратили промысел и взяли курс на Японию, но было поздно: вскоре после возвращения один из членов экипажа умер, а остальные оказались пораженными тяжелой формой лучевой болезни. Едва ли не главной причиной этой болезни был стронций-90, один из многочисленных радиоактивных изотопов, образующихся при ядерном распаде. В результате такого взрыва в атмосферу выбрасываются десятки миллионов тонн земли и горных пород, буквально начиненных продуктами деления атомных ядер, самый токсичный, а значит, и самый опасный среди которых - стронций-90. Рано или поздно они возвращаются на землю, оседая на поверхность материков и океанов.

Теперь радиоактивному стронцию остается один шаг до организма человека. При попадании стронция внутрь его концентрация в крови уже через 15 минут достигает значительной величины, а в целом этот процесс завершается через 5 часов. Он избирательно накапливается в основном в костях и облучению подвергаются костная ткань, красный костный мозг и кроветворная система.

Вследствие этого развивается анемия, называемая в быту «малокровием». Исследования показали, что радиоактивный стронций может находиться и в костях новорожденных. Через плаценту он проходит в течение всего периода беременности, причем в последний месяц перед рождением в скелете его накапливается столько же, сколько аккумулировалось за все предыдущие восемь месяцев.

Стронций-90, а также образующийся при его распаде дочерний изотоп иттрий-90 (с периодом полураспада 64 часа) - типичные бета-излучатели. Это значит, что они при распаде испускают потоки электронов, которые действуют на все живое на сравнительно небольшом расстоянии, но очень активно. Нарушаются нормальная структура и функции клеток.

Это приводит к серьезным нарушениям обмена веществ в тканях. А в итоге - развитие смертельно опасных болезней - рака крови (лейкемии) и костей. Кроме того, излучение действует на молекулы ДНК и, следовательно, пагубно влияет на наследственность.

Содержание Sr⁹⁰ в человеческом организме находится в прямой зависимости от общей мощности взорванных ядерных зарядов. Он попадает в организм при вдыхании радиоактивной пыли, образующейся в процессе взрыва и разносимой ветром на большие расстояния. Другим источником заражения служат питьевая вода, растительная и молочная пища.

Но и в том и в другом случаях природа ставит естественные препоны на пути стронция-90 в организм. Во-первых, в тончайшие структуры дыхательных органов могут попасть лишь частицы величиной до 5 микрон, а таких частиц при взрыве образуется сравнительно немного. Во-вторых, стронций при взрыве выделяется в виде окиси SrO, растворимость которой в физиологических жидкостях организма весьма ограничена.

Проникновению стронция через пищевую систему препятствует фактор,

который называют «дискриминацией стронция в пользу кальция». Он выражается в том, что при одновременном присутствии кальция и стронция организм предпочитает первый из них.

Соотношение Са/Sr в растениях вдвое больше, чем в почве. А в молоке и сыре содержание стронция в 5-10 раз меньше, чем в траве, идущей на корм скоту. Однако целиком полагаться на эти благоприятные факторы не приходится - они способны лишь в какой-то степени предохранить от стронция-90. Не случайно до тех пор, пока не были запрещены испытания атомного и во-

дородного оружия в трех средах, число пострадавших от стронция росло из

года в год.

Биологический период полувыведения стронция из скелета составляет свыше 30 лет. Ускорение выведения из организма стронция является труднейшей задачей. По крайней мере до сих пор не найдено высокоэффективных средств для быстрого выведения этого радиоактивного элемента из организма.

Широкие перспективы открываются перед радиоизотопами стронция в производстве атомных электрических батарей для космических ракет и искусственных спутников Земли. Принцип действия таких батарей основан на способности стронция-90 излучать электроны, обладающие большой энергией, преобразуемой затем в электрическую.

Радиостронциевые элементы, соединенные в миниатюрную батарейку (разме-

ром со спичечную коробку), способны безотказно служить без перезарядки 15-25 лет. Атомные батарейки, несомненно, найдут применение в телефонии и радиотехнике. А вот швейцарские часовщики с успехом использовали крохотные стронциевые батарейки для питания электрочасов.

Неприхотливые и практически вечные источники тока незаменимы на автоматических метеостанциях, расположенных в пустынных, полярных и высокогорных районах нашей планеты.

В Канаде, например, на далеком северном острове Аксель-Хейберг в труднодос-

тупном месте действует атомная метеорологическая станция, рассчитанная на работу без обслуживания в течение двух-трех лет. Источником энергии для аппаратуры станции служит изотоп стронция (всего 400 г), помещенный в специальный трехслойный сплав и защищенный свинцовым экраном. Теплота, образующаяся при радиоактивном распаде стронция, превращается в электрический ток, который питает приборы для измерения температуры, атмосферного давления, скорости и направления ветра.

Несомненный интерес представляет термоэлектрическая стронциевая батарея «Тристан» концерна «Siemens» (Германия), для проведения подводных исследований. Высокоэффективные термоэлектрические элементы преобразуют энергию распада стронция-90 в электрический ток.

Размеры батареи невелики, но весит она 1,4 тонны, поскольку снабжена толстым свинцовым экраном, который надежно защищает морских обитателей пучин и, разумеется, прежде всего, людей от радиации - ее уровень вблизи «Тристана» в пять раз меньше допустимого.
После стронция-90 цезий-137 является самым опасным радионуклидом для человека. Это - относительно долгоживущий радионуклид: период его полураспада составляет 30,2 года.

Цезий легко мигрирует во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства.

Во-первых, Cs¹³⁷ – это конечный продукт цепочки распадов, в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе:

I¹³⁷ (Т_½=24,2 сек) - β^- → Xe¹³⁷ (Т_½=3,9 мин) - β^- → Cs¹³⁷

При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли. Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме варьировало в широких пределах (от 3,3 до 82,4 % от общей массы).

Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных же взрывах на силикатных почвах образуются слаборастворимые частицы.

Выпавший на поверхность земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании атмосферными осадками в низменные бессточные участки.

Исследования вертикального распределения Cs¹³⁷, в частности, в почвенно-растительном покрове в первый месяц после аварии на Чернобыльской

АЭС (Силантьев А.Н. и др., 1998) показали, что при хорошо развитом травя-

ном слое 80 % выпавшего радионуклида сорбировалось растительностью, а

20 % - почвой. После разложения растительных остатков сорбированный Cs¹³⁷ включается в общую миграцию загрязнения в почве. Скорость миграции цезия для большинства целинных почв не превышает нескольких миллиметров в год, и выпавший цезий в течение нескольких лет остается в поверхностном слое.

Отличительной особенностью миграции Cs-137 в системе почва-растение является исключительно высокая мобильность этого радионуклида в регионах распространения легких по гранулометрическому составу песчаных и супесчаных почв подзолистого и болотного типов (Алексахин Р.М. и др., 1992).

Как считают Ф.А. Тихомиров и др. (1992), с нисходящим потоком влаги

мигрирует незначительное количество радионуклидов по сравнению с их общим содержанием в почве. Так, среднегодовой вынос с внутрипочвенным стоком из слоя 0-5 см составил 0,1–3,5% их содержания в этом слое. Лишь 10-15% количества радионуклидов проникает глубже 20-30 см, при этом наибольший их перехват (50-70%) происходит в слое 5-10 см. За пределы слоя 0-20 см выходит лишь 0,05 % от их общего количества. При этом Cs-137 и Sr-90 поглощаются почвой заметно активнее, чем их стабильные неизотопные аналоги K и Ca.

Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств самого радионуклида.

Вертикальный перенос цезия происходит с фильтрационными токами воды и связан с деятельностью почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др.

Исследованиями Поликарповой Т.М. с соавторами (1995) установлено, что степень поглощения радиоцезия обратно пропорциональна концентрации стабильного цезия: при ее увеличении в 10 раз поглощение Cs-134 уменьшилось в 2-3 раза. При этом основную роль во взаимодействии радиоцезия с почвенным поглощающим комплексом играют гуминовые кислоты: удаление органического вещества снижает коэффициент распределения(К_d) в 2-6 раз. Найдено, что кальций и железо, входящие в состав минеральной части торфов, отрицательно влияют на сорбцию Cs-134: удаление обменных форм кальция и аморфных форм железа увеличивает K_d в 3-10 раз. Доказано, что насыщение торфов одновалентными катионами (K⁺, NH₄⁺) значительно усиливает поглощение радиоцезия. Делается вывод, что Cs-134 может обмениваться не только с указанными одновалентными катионами, но и с двухвалентными (Са²⁺).

Подвижность и биологическая доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в «слабо обменное» состояние. В первые годы после выпадения цезий в основном содержится в верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида. Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы.

Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее – в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

Как правило, «путешествие» Cs¹³⁷ по пищевым цепочкам начинается с растений, куда нуклид может попасть непосредственно в момент радиоактивных выпадений. Уровень поглощения растворимого цезия растениями с их поверхности может достигать 10%. Сначала он накапливается в листьях, зернах, клубнях и корнеплодах, а в дальнейшем поступает в основном через корневую систему.

В отличие от стронция-90 он способен диффузно (равномерно) распределяться во всех органах и тканях растения. Выпадающие на поверхность почвы радионуклиды на протяжении многих лет остаются в ее верхнем слое.

Если при этом почвы бедны такими минеральными компонентами, как кальций, калий, натрий и фосфор, то создаются благоприятные условия для миграции радионуклидов в самих почвах и по цепи «почва – растение». В первую очередь это относится к дерново-подзолистым и песчано-суглинистым почвам. В черноземных почвах подвижность радионуклидов крайне затруднена.

Так, например, лишайники в тундре на почвах, бедных минеральными компонентами, накапливают Cs¹³⁷ в 200-400 раз больше, чем травы. Это обстоятельство

способствует депонированию в организме северных оленей повышенного коли-

чества радионуклидов.

Аккумулятором радионуклидов является лес, особенно хвойный, который содержит в 5-7 раз больше радионуклидов, чем другие природные биоценозы. При пожарах сконцентрированные в лесной подстилке, коре и древесине радионуклиды поднимаются с дымовыми частицами в воздух и попадают в

тропосферу и даже стратосферу. Радиоактивному облучению, таким образом,

подвергается население на значительных территориях.

Кроме этого подвижность цезия и стронция из кислых почв значительно выше, чем из слабокислых и, особенно, слабощелочных. Поэтому нейтрализация повышенной кислотности почвы путем внесения карбонатов резко снижает содержание Cs¹³⁷ в урожае. И еще одна особенность: химическим конкурентом этого изотопа является калий. Чем больше его содержание в почве, тем меньше из них поглощается цезий.

Уровни поверхностного загрязнения растений определяются их морфологическими особенностями и физико-химическими свойствами выпадающих аэрозолей. Известно, что растения способны задерживать аэрозоли с размером частиц менее 45 мкм. Особенно высокое содержание радионуклидов отмечено у лишайников, чая и хвойных деревьев, что связано с их биологическими особенностями.

По данным Моисеева И.Т., Агапкиной Г.И. и Рерих Л.А.(1994), изучавшихповедение Cs-137 в почвах и его поступление в сельскохозяйственные культуры в зависимости от различных факторов, установлено, что с увеличением времени контакта Сs-137 с почвой происходит процесс «старения» радионуклида, т.е. переход части цезия в необменное состояние, в результате которого его доступность растениям снижается.

Снижение миграционной способности Сs-137 в разных почвах и его переход в растения, в зависимости от времени контакта с почвой, может сильно варьировать и в ряде случаев достигать 10-кратного значения по сравнению с исходным. Скорость процесса «старения» Сs-137, по критерию его аккумуляции растениями, на разных почвах различна и зависит от свойств почв и других факторов. В почвах с высоким содержанием органического вещества процесс старения радионуклида более растянут во времени (например, в черноземе) по сравнению с дерново-подзолистыми почвами.

Исследования, проведенные этими авторами в течение 11 лет на выщелоченном черноземе, показали, что накопление цезия-137 в урожае одной и той же культуры варьирует в разные годы до 3-кратных и более размеров. При этом в отдельные годы с увеличением времени контакта радионуклида с почвой наблюдается не только снижение, но и увеличение его доступности растениям. Доказано, что на поступление Сs-137 из почвы в растения существенно влияла температура воздуха, особенно в июне и июле. Значения коэффициентов корреляции между соответствующими показателями составили для разных культур от 0,3 до 0,8. Внесение в течение 17-18 лет полного минерального удобрения на выщелоченном черноземе в дозах по 90 кг/га каждого элемента (NPK) оказывало неоднозначное влияние на параметры накопления цезия-137 в хозяйственно-ценной части урожая сельскохозяйственных культур и зависело от вида растений. При этом наблюдалось как существенное повышение (в 1,5-2,5 раза) коэффициентов накопления цезия в зерне и вегетативных частях злаковых культур и корнеплодах свеклы, так и их снижение в соответствующих структурных частях урожая зернобобовых и ряда овощных культур. Межвидовые различия в накоплении Сs-137 в урожае, выращенном на выщелоченном черноземе Зауралья, достигали 10-20-кратных значений.

В свою очередь, в условиях модельного эксперимента С.К. Фирсакова (1992) установила, что коэффициенты пропорциональности, а, следовательно, поступление самого Cs¹³⁷ в пойменные травы наиболее высоки в первый год после нанесения радионуклида на дернину, причём с каждым последующим укосом содержание Cs¹³⁷ в растениях уменьшается. За три года поступление Cs¹³⁷ в травостой снизилось на суходольных лугах с дерново-подзоли-стой супесчаной почвой в 90 раз, на суходольных лугах с дерново-подзоли-стой суглинистой почвой - более чем в 100 раз, а на суходолах с серой лесной почвой - почти в 300 раз. На пойменных лугах с пойменной аллювиальной дерновой слоистой почвой, это уменьшение достигло 36 раз, а на пойменной аллювиальной дерновой зернистой почве - более 300 раз. Столь высокие кратности снижения, вероятно, объясняются тем, что автор учитывала и корневое и внекорневое поступление радионуклида в растения.

Наиболее значительное снижение перехода радионуклида в растения на-

блюдали в первые годы после поступления радионуклидов в почву, затем этот процесс замедлялся.

По данным И.Т. Моисеева и сотрудников (1982) в злаковых травах на второй и третий годы вегетации Cs¹³⁷ накапливался в 1,5-3 раза меньше, чем в первый год, при этом коэффициенты накопления варьировали от 0,002 до 0,02. Установлено, что количество Cs¹³⁷, поступившего в сельскохозяйственные растения,находится в обратной зависимости от количества осадков за вегетационный период и от запасов влаги в метровом слое почвы.

Относительно аэрозольного цезия установлено, что более всего он накапливается в капусте, далее по убыванию – свекле, картофеле, пшенице и естественной травянистой растительности. Со временем уровни загрязнения растений снижаются в результате прямых потерь (под действием дождя и ветра) и прироста биомассы. Так, примерно в течение двух недель содержание нуклидов в пастбищной растительности уменьшается вдвое. Цезий хорошо накапливается растениями, попадает в пищевые продукты и быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте.

Основной источник поступления цезия в организм человека – загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. Содержание

радиоактивного цезия в литре коровьего молока достигает 0,8-1,1% от суточ-

ного поступления нуклида, а козьего и овечьего – 10-20%.

Однако, в основном, он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится соответственно 4, 8, 20 и 26% от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц его попадает меньше - только 1,8-2,1%.

При накоплении Cs-137 в тканях, насыщенных кровью, он испытывает бета-распад. Здесь создаются условия как прямого, так и косвенного (через про-дукты радиолиза воды), его действия на кровь и ее форменные элементы.

Таблица 25. Суммарное загрязнение европейских стран Cs¹³⁷ от чернобыльской аварии (по данным МЧС России, 1998)

Образование метгемоглобина в эритроцитах приводит к уменьшению проч-

ности мембран, снижения кислородной емкости и уменьшению глутатиона, восстановленного внутри эритроцита (Игнатенко В.А., Кузнецов Б.К., 1994).

Еще в больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских - ниже). В связи с этим он имеет более короткий период полувыведения - это тот отрезок времени, в течение которого из организма выводится половина ранее поступившего и накопленного радионуклида. В результате этого появляются дефектные клетки или мутации. Они-то и способствуют образованию лейкозов, других разновидностей рака. Кстати, отрицательное действие свободных радикалов усиливается неблагоприятными факторами внешней среды.

Исследованиями Бондаренко Э.У. и др.(1994) установлено, что наибольшей способностью накапливать радиоцезий обладают зернобобовые культуры - в 10 раз больше, чем зерновые (особенно белый люпин). Среди зерновых гречка накапливает Cs-137 в 2 раза больше, чем колосовые. Среди зернобобовых выделяется белый люпин. По уменьшению содержания радиостронция в зерне и семенах яровые злаковые и зернобобовые культуры расположились в следующем порядке: люпин белый кормовой, люпин желтый кормовой, горох кормовой, кукуруза, овес, ячмень, яровая пшеница.

Углерод-14.Из всех природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль — он составляет структурную основу органичес-

ких соединений, в том числе тех, которые входят в состав живых организмов.

С 1954 г. было отмечено быстрое увеличение содержания изотопа С¹⁴ как

в атмосфере, так и в живых организмах, что было связано с началом интенсивных испытаний ядерного и водородного оружия. Так, только на Семипалатинском полигоне в бывшем СССР всего в период с 1949 по 1990 г.г. было проведено 465 ядерных испытаний, в процессе которых было произведено 607 взрывов ядерных зарядов.

Природный углерод - это смесь двух стабильных изотопов: С¹² (98,9%) и С¹³ (1,1%). Из трех радиоактивных изотопов (С¹¹, С¹⁴ и С¹⁵) только долгоживущий углерод-14 представляет практический интерес, поскольку участвует в круговороте углерода биосферы. Период его полураспада составляет 5730 лет.

Этот низкоэнергетический бета-излучатель со средней энергией частиц 156-171 кэВ относится к числу глобальных радионуклидов. Образуется он как в естественных, так и в искусственных условиях в результате нескольких ядерных реакций. Повышение концентрации антропогенного С¹⁴ во внешней среде (за счет ядерных взрывов и выбросов предприятий ядерной энергетики) представляет большую гигиеническую и экологическую проблему.

Природный нуклид образуется главным образом при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции: N¹⁴ (n, р) → С¹⁴.

Роль других реакций в образовании природного углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов:

Средняя интенсивность образования этого нуклида в атмосфере (в основном в стратосфере) равна 2,28 атома в сек на 1 см² земной поверхности, что составляет 9,7^.10²³ атом/сут. По массе это примерно 22,5 г/сут, а по активности - около 2,8 ТБк/сут или 1 ПБк/год.

Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остается постоянным: 227 ± 1 Бк/кг углерода.

С 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерно-топливного цикла оказались единственным мощным источником антропогенного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли.

Этот нуклид образуется в активной зоне атомных реакторов любого типа, где существуют мощные потоки нейтронов, которые взаимодействуют с материалами конструкций реактора, с веществом теплоносителя, замедлителя, топлива и имеющимися в них примесями.

Рис. 33. Модель глобальной циркуляции углерода-14, поступающего в атмосферу

с выбросами предприятий ядерно-топливного цикла (1) и со сбросами (2).

Коэффициенты обмена приведены в относительных единицах в год

Известно, что весь земной углерод сосредоточен в двух бассейнах – «осадочном» и «обменном».

Углерод первого бассейна (органический и неорганический углерод осадочных пород, уголь, нефть и другие ископаемые) практически не участвует

в естественных обменных процессах, он вступает в круговорот только после

сжигания органического топлива.

Углерод второго бассейна, в котором находится около 0,17 % всего земного количества углерода, причем более 90% его - в глубинных водах Мирового океана, участвует в круговороте отдельными его резервуарами: атмосферой, биосферой, гидросферой и др. Круговорот углерода в природе состоит как бы из двух циклов, проходящих параллельно в наземной и морской частях биосферы, связанных атмосферой.

Углерод-14, образующийся в теплоносителе и замедлителе, частично или полностью выбрасывается в окружающую среду в виде газоаэрозолей, а из

топлива реакторов - с радиоактивными отходами заводов по его переработке

(регенерации). Радиоактивный углерод высоко подвижен. С мест выбросов в результате атмосферных процессов нуклид переносится на большие расстояния и, окисляясь до СО₂ , вступает в естественный круговорот углерода (см. рис. 33).

Скорость обмена углерода между резервуарами «обменного» бассейна различна: среднее время пребывания молекулы CO₂ в атмосфере до ее перехода в воду океана составляет несколько лет, из его глубин в атмосферу - до нескольких сотен лет, а из осадочных пород в атмосферу даже несколько миллионов лет.

Таким образом, осадочные породы являются как бы «могильником» радиоуглерода (естественного и искусственного), в котором он практически распадается и выходит из природного круговорота. Он не имеет соответствующих значений коэффициента дискриминации, т.е. его содержание в атмосфере в одном и том же году полностью воспроизводится в растениях. Попадая в них, он способен вызывать сильное мутагенное действие, связанное с его превращением в изотоп N¹⁴ непосредственно в молекулах ДНК и РНК.

Окисленный во внешней среде до СО₂ углерод-14 за счет фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку.

Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод – углерод рас-

тений» растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трех месяцев.

За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963- 64 г.г.) содержание C¹⁴ в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в

два раза по сравнению с природным фоном. При этом период полуочищения

продуктов питания составляет около шести лет.

В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органи-

ческих и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно - лишь 1% от пищевого.

Скорость выведения из организма C¹⁴ в составе органических соединений в определенной мере зависит от их класса: нуклид углеводов выводится интенсивнее, чем поступивший в форме аминокислот и жирных кислот, а введенный в составе спиртов задерживается дольше «углеводного».

Со временем скорость выведения постепенно замедляется, видимо за счет того, что поступивший в организм нуклид используется как пластический материал. Радиоуглерод выводится в основном через органы дыхания, значительно меньше - через почки и кишечник. Причем это соотношение тоже зависит от формы соединения.

Способ измерения времени с помощью радиоактивного изотопа углерода, проверенный на предметах, возраст, которых был точно известен по другим данным (древесина из египетских гробниц или свай, вбитых в морское дно во времена римских императоров и т. д.), дал очень хорошие результаты.

«Углеродные часы», предложенные американским ученым У.Либби, нашли применение в различных областях знания (археология, палеонтология, океанография и др.). Сущность этого метода состоит в том, что подлежащий исследованию образец сжигают в герметически закрытом сосуде и из образовавшегося углекислого газа выделяют углерод с помощью металлического магния. Образовавшийся карбонат магния растворяется в кислоте и вымывается, а оставшийся углерод высушивается, и активность его измеряется специальным прибором. «Углеродные часы» дали науке ряд ценных сведений, на основании которых точно установлены такие даты, которые раньше вообще не поддавались определению или определялись весьма предположительно.

Так, например, путем определения радиоактивности углерода-14, выделенного из

древесины палубы «Солнечной ладьи», а также из древесины акации, кипариса, и других деревьев, употреблявшихся при сооружении древних гробниц, были установлены даты смерти фараонов Сезотриса III (1800 г. до н. э.), Снефру (2625 г. до н. э.) и др.

С помощью радиоактивного углерода установлен возраст рисунков бизонов, выполненных на стене пещеры в Ласко (Франция) рукой доисторического художника более 15 тыс. лет назад, определен «возраст» проб воды, взятых из Атлантического океана с глубины трех километров. Ряд других вопросов успешно решен также с помощью «углеродных часов».

Изотопам углерода явно сопутствует «удача». Если углерод-14 стал выполнять роль «часов истории», то углероду-12 Международным соглашением (1960 г.; Монреаль, Канада) отведена «роль» эталона атомной массы. За единицу относительной атомной массы принята теперь одна двенадцатая часть атомной массы углерода-12.

Радионуклиды накапливаются в органах неравномерно. В процессе обмена веществ в организме человека они замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам.

При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул.

Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества проходят по сложным маршрутам в окружающей среде, и это приходится учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника.

Возможные способы распространения радиоизотопов в окружающей среде приведены на рис. 34. На нем показаны пути, по которым радиоизотопы могут попасть в организм человека с пищей, а также пути, которые оканчиваются в подпочвенных слоях грунта. Конечно, в действительности все обстоит не так просто: почти каждый этап представляет собой сумму очень

сложных процессов.

Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению.

Рис. 34. Распространение радионуклидов в окружающей среде

Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма и сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается также вероятность появления злокачественных опухолей.

Организм при поступлении продуктов ядерного деления подвергается длительному, убывающему по интенсивности, облучению. Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень.

Дозы, поглощенные в них, на 1–3 порядка выше, чем в других органах и тка-

нях. По способности депонировать в себе всосавшиеся радионуклиды основные органы можно расположить в следующем порядке:

Так, в щитовидной железе накапливается до 30 % абсорбировавшихся продуктов деления, преимущественно радиоизотопов йода. По концентрации радионуклидов на втором месте после щитовидной железы находится печень. Доза облучения, полученная этим органом, преимущественно обусловлена радионуклидами Мо⁹⁹, Te¹³², I^131,132, Bа¹⁴⁰ и Lа¹⁴⁰.

В табл. 26 приведены сведения о накоплении йода и некоторых других радиоактивных элементов в организме человека.

Таблица 26. Органы и ткани с максимальным накоплением радионуклидов

*- относящаяся к данному органу доля полной дозы, полученная всем телом человека

Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изото-

пыйода. Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек.

Йод - один из активных естественных галогенов. Поэтому в природе в свободном виде не встречается. Важнейшие его соединения - йодистые калий и натрий. Эти вещества, несмотря на то, что природа сравнительно бедна йодом, распределены в ней очень широко. Не случайно академик А. Е. Ферсман, рассказывая о йоде в одной из глав своей книги «Занимательная геохимия», назвал его вездесущим.

Главным резервуаром йодистых соединений является вода морей и оксидов. Водоросли (ламинария и др.) способны накапливать соединения йода в значительных количествах. Водоросли и служат источником получения чистого йода.

Этот элемент был открыт французским химиком Бер-

наром Куртуа. Оказывается, что обыкновенный кот был «соавтором» открытия йода. Когда в 1811 г. Куртуа проводил химические опыты его любимый кот, прыгнув, разбил две бутылки. В одной из них был настой зеленых морских водорослей на спирте, в другой - смесь серной кислоты с железом. На полу