Общие закономерности перемещения радиоактивных веществ в биосфере

Радиоактивные продукты ядерного деления

• выпадают сами по себе («сухие» осадки),

• с атмосферными осадками («мок­рые» осадки),

• 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 деления в организм человека:

• непосредственного попадания из атмосферы,

• через сельскохозяйственные растения и животных. При этом продукты деления могут попадать в организм человека как непосредственно через растительную пищу, так и через животных, питающихся растениями, содержащими радиоактивные вещества.

Из радиоактивных продуктов деления в первый период наиболь­шую опасность представляют изотопы йода вследствие наиболее высокого относительного содержания их и значительной биологи­ческой токсичности.

В последующем основную роль играют ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs 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. При поступлении с кормом в организм ⁹⁰Sr его постоянным неизотопным носителем служит кальций, а для ¹³⁷Cs — калий.

В организме животных калий и кальций представлены как мак­роэлементы. При исследовании закономерностей передвижения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs от одного объекта биосферы к другому было замечено, что первый ведет себя сходно с кальцием, второй — с калием. Это об­стоятельство имеет большое практическое значение для радиохими­ческой экспертизы. Например, установлено, что при равных усло­виях в объектах биосферы, загрязненных радионуклидами, макси­мальная концентрация ⁹⁰Sr всегда обнаруживается в органах (про­дуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлу­па), а максимальная концентрация ¹³⁷Cs — в объектах, богатых ка­лием (например, мышцы).

Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве и растениях

Формы состояния радионуклидов в почве: - водорастворимая, - обменная, - необменная, - прочносвязанная необменная.

Первые две формы способны усваиваться растениями и, следовательно, мигри­ровать по биологической цепочке.

Каждый из радионуклидов при­сутствует в почве в водорастворимой, обменной и необменной фор­мах одновременно, однако соотношение между этими формами для разных радионуклидов существенно различается. В почве радионук­лиды находятся в разном физико-химическом состоянии.

Биологическая подвижность радионуклидов (способность миг­рировать по пищевым цепочкам) зависит от:

1. их физико-химических свойств,

2. свойств самой почвы (тип, минераль­ный состав, кислотность, содержание органических веществ, увлаж­ненность, длительность ее использования в агроэкосистемах и т. д.)

Наиболее доступен для растений - стронций, ко­торый на 73,7 % в глобальных выпадениях находится практически полностью в водорастворимой форме, ¹³⁷Cs — в пределах 44,9 %, а ¹⁴⁴Се — около 13 %.

Радионуклиды редкоземельных элементов, а также ¹⁸⁵W и ⁹⁵Zr находятся в выпадениях как в водорастворимой, так и нерастворимой формах, причем для ⁹³Zr и ¹⁴⁴Се характерно преоб­ладание нерастворимой формы.

Радионуклиды редкозе­мельных элементов, а также радионуклидов из группы нейтронной активации (^{52, 54}Mn, ⁵⁵Fe,^58,60Со) в воде образуют малорастворимые соединения.

Доступность радионуклидов для растений зависит от наличия в почве

1. обменных катионов — элементов-носи­телей (чем больше в ней элементов-носителей, тем меньше биологическая подвижность радионуклидов, и наоборот),

2. кислотности (чем выше кислотность почв, тем более доступны радионуклиды для растений).

Радиоактивный стронций находится в почве в подвижной форме (до 98 %).

Основная часть цезия сорбируется в почве достаточно прочно

С течением времени обменно-связанные радионуклиды могут превращаться в слаборастворимые соединения — фосфаты и карбо­наты, в результате чего их миграционная способность может сни­зиться.

В почве ⁹⁰Sr связывается в основном за счет ионного обмена, сильно зависит от присутствия катионов А1⁺³, Fe⁺³, Ba⁺², Ca⁺², Mg⁺²

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 % ⁹⁰Sr.

Органические вещества также оказывают влия­ние на поведение этого нуклида, в частности он хорошо связывает­ся с сульфокислотами почв, что также снижает его способность к биологической миграции.

Типы миграций радионуклидов в почве:

- в горизон­тальном направлении,

- вертикальном.

В зависи­мости типа почв различаются формы нахождения ра­дионуклидов. Например, в дерново-подзолистых почвах в обменной форме находится до 20 % общего количества цезия. В почвах других типов в обменной форме его находится в 1,5...2 раза меньше. Но на сильнокислых легких почвах относительное содержание цезия, до­ступного для растений, достигает 35...40 %.

На длительно используемых дерново-подзолистых почвах при прочих равных условиях подвижность ¹³⁷Cs увеличена. 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 дерново-подзолистых супесчаных почвах Полесья, бедных слю­дистыми минералами, до 70 % ¹³⁷Cs сравнительно равномерно рас­пределяется по профилю почвы на глубину 20...30 см, что свидетель­ствует о его интенсивной миграции даже на целинных участках. В почвах других ландшафтов до 90 % ¹³⁷Cs сорбируется в верхних сло­ях почвы (0...5 см). При использовании заглубленной вспашки та­ких почв на верхний 20—30-сантиметровый слой приходится до 79 % радиоактивного цезия.

Микроорганизмы почвы снижают подвижность радионукли­дов в биологическом круговороте. Они могут связывать до 60 % Cs и этим препятствовать его дальнейшей миграции по пище­вой цепочке.

По профилю почв естественных экосистем ⁹⁰Sr распределяется с меньшей закономерностью, но более интенсивно, чем цезий, вслед­ствие своей более высокой подвижности.

Радиационно-экологическая обстановка на загрязнен­ных территориях изменяется в основном в результате естественного радиоактивного распада, вторичного ветрового переноса и верти­кальной миграции. При этом происходит загрязнение чистых тер­риторий сельхозпродукцией, техникой, животными, в том числе птицами, и т. д.

Попавшие в растения радионуклиды распределяются в них по-разному. Одни концентрируются в корнях, другие — в надземной части растений, преимущественно в стеблях, листьях, семенах и т. д. Причем в растениях они находятся в виде подвижной фракции и связанной со структурно-функциональными компо­нентами. Чем больше в растениях свободной фракции радионукли­дов, тем более они доступны для усвоения организмом моногастричных животных. Для полигастричных вследствие особенностей их пищеварения эти взаимоотношения гораздо сложнее.

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 и взаимодействию с тканевыми структура­ми.

Фаза вегетации имеет большое значение в накоплении растениями радионуклидов .

Листья молодых растений поглощают радионук­лиды в значительно больших количествах, чем листья растений, за­канчивающих рост и развитие.

Фаза развития расте­ний имеет значение при удержании на их поверхности малоподвижных ра­дионуклидов.

Радиоактивные вещества, выпавшие на поверхность почвы из атмосферы и осевшие с поверхности растений, могут служить суще­ственным источником повторного механического их загрязнения уже после прекращения выпадения радиоактивных осадков. 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. Дополнительный вклад ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru и ¹⁴⁴Се в процессе уборки естественных трав может достигать 50 % поступ­ления ⁹⁰Sr через корневые системы.

При некорневом радионуклидном загрязнении растительности переход их из корма в организм животных и продукцию животно­водства, как правило, выше, чем при корневом поступлении.

При непрерывных глобальных выпадениях наиболее высокие концентрации радионуклидов обнаруживаются в продукции расте­ниеводства, меньшие — в продукции животноводства. Концентра­ция ⁹⁰Sr и ^!37Cs 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 и изотопы U.