Радиобиология с основами радиоэкологии

средоточена большая часть почвенного поглощающего комплекса. Именно поэтому природные угодья удерживают основную массу радиоактивных веществ в поверхностном 5–10-сантиме- тром слое почвы, а на пахотных землях такие вещества более или менее равномерно рассредоточиваются по всему обрабатываемому профилю горизонта на глубину 20–25 см. Их вовлечение в биологический круговорот определяется, с одной стороны, мощностью связи с частицами почвы, с другой – способностью поглощаться корнями растений.

Что касается способности корней поглощать радионуклиды, то она определяется многими факторами одновременно: спецификой вида растения, развитием корневой системы, фазой развития, их физиологическим состоянием, влажностью почвы, наличием в растении элементов питания, химической формой соединения, в состав которого входит радионуклид, и некоторыми другими. Поглощение радионуклидов почвой и растениями в значительной степени задерживает их вымывание и перенос к почвенным водам, фиксируясь у поверхности почвы в зоне размещения основной массы корней.

Механизм усвоения радиоактивных веществ корнями растений также не отличается от поглощения обычных элементов минерального питания. В связи с тем, что большинство радио­ активных продуктов ядерного деления, как химические элементы, не играет какой-либо роли в физиолого-биохимических процессах и поступает в растения, как правило, в очень незначительных количествах, то при рассмотрении закономерностей их транспорта в тканях растений возможным влиянием ионизирующих излучений на процессы обмена и участие в нем можно пренебречь.

Поглощение радиоактивных веществ корнями, транспорт их по растению и распределение по отдельным органам в значительной степени определяются химическими свойствами радионуклидов­. Стронций и цезий, как уже подчеркивалось, имеют много общего соответственно с кальцием и калием, и поэтому они подобно этим биологически важным элементам поступают в растения в максимальных количествах (табл. 4.5). Радионуклиды иттрия, рутения, церия, прометия, актинoидов, в том числе урана, плутония, америция и др. накапливаются в количествах, на несколько порядков меньших. Высокие значения коэффициентов накопления имеет радиоактивная сера, являющаяся весьма важным биогенным макроэлементом, радионуклиды таких микроэлементов, как железо, цинк, марганец, кадмий, которые также играют значительную роль в метаболических процессах. Но содержание их радионуклидов в почве невелико и соответственно накапливаются они в растениях в очень небольших количествах.

При этом радионуклиды цезия и стронция, а также перечисленных микроэлементов благодаря отмеченным свойствам и особенностям легко и быстро передвигаются по растению, в то время как большинство других накапливаются преимущественно в корне и далее практически не поступают (табл. 4.6).

Распределение радионуклидов в надземных частях растений­ при поступлении через корни также происходит по-разному. Около половины их количества накапливается в стебле. Это характерно не только для пшеницы, которая рассматривается в качестве примера, но и для многих других видов травянистых растений. Значительно меньше радиоактивности доходит до ли-

Таблица 4.6

Распределение радионуклидов по органам пшеницы при поступлении через корни (И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, 1973)

стьев, еще меньше – до колосьев и всего несколько процентов включается в зерно.

Как видим, проявляется такая закономерность: чем дальше по транспортной цепочке от корня находится орган растения, тем меньше радиоактивных веществ он накапливает. В случае с зерновыми и зернобобовыми культурами, основной продукцией которых является зерно, эта закономерность весьма полезна. Благодаря ей даже на относительно загрязненных почвах при высоком количестве радионуклидов в соломе (стебли и листья) зерно, а следовательно, крупы и мука могут оказаться чистыми – содержать допустимое их количество. Эта закономерность утешительна и в том случае, когда продуктивными органами являются иные плоды – овощных, ягодных, фруктовых видов растений. Но если продуктивными органами являются листья (капуста, салат, щавель, петрушка и др.), а особенно подземные части растений (корнеплоды, клубнеплоды, луковицы), приходится иметь дело с более загрязненной продукцией. Все же луковицы и клубнеплоды, представляющие собой видоизмененные соответственно листья и стебли, как правило, загрязняются в меньшей степени, чем корнеплоды – утолщенные формы главного корня. Однако следует учитывать, что радионуклиды могут проникать в подземные органы непосредственно из почвы через их поверхность путем прямой диффузии. Специальными опытами, проведенными с картофелем, было доказано, что преобладающая часть 90Sr и 137Сs, накапливаемая в клубнях, поступает именно этим путем.

Таким образом, по характеру поступления радионуклидов через корни и накопления в отдельных органах их можно разделить на две группы: радионуклиды, которые быстро поступают и передвигаются по растению, накапливаясь в надземных частях, и радионуклиды, которые поступают медленно и концентрируются в основном в корнях. Для отражения характера и зависимости накопления отдельных радионуклидов в разных органах растений от наличия их в субстрате (почве) удобнее всего использовать коэффициент накопления.

Как можно было убедиться из данных табл. 4.5, для большинства радионуклидов его значения составляют сотые и тысячные, редко приближаясь даже к десятым долям. Это означает, что их концентрирование в растениях не происходит. К сожалению, для наиболее распространенных на сегодняшний день радиоактивных загрязнителей окружающей среды 90Sr и

137Сs коэффициенты накопления намного выше, а для растений кальцефилов и калиефилов, произрастающих на легких типах почв, могут значительно превышать единицу, достигать 10 и более величин. Последнее касается в особенности 137Сs, накопление которого даже в зерне и плодах отдельных овощных культур может быть очень значительным.

тениях также зависит от их свойства накапливать кальций. Растения-кальциефилы (а к ним относятся, в первую очередь, практически все виды растений семейства бобовых и отдельные виды из семейства розоцветных), потребляющие кальций в десятки раз больше, чем некоторые индифферентные к нему виды, могут во много раз больше накапливать и 90Sr.

Изучение закономерностей поведения радиоактивных веществ в звене трофической цепочки почва–растение, связей между их содержанием в почве и накоплением растениями, химических свойств отдельных радионуклидов и биологических особенностей видов растений, возможных путей транспорта радионуклидов по растению имеет важнейшее практическое значение для прогнозирования накопления их урожаем, разработки приемов по снижению поступления этих радиоактивных веществ в растения.

4.4.3.Особенности миграции радиоактивных веществ

влесных насаждениях

Древесная растительность обладает более значительной способностью удерживать радиоактивные осадки по сравнению с травянистой. Это обусловлено большой биомассой крон, чрезвычайно высокими значениями листового индекса, достигающего многих десятков и даже сотен, специфическими клейкими смолистыми веществами, выделяемыми многими видами, в особенности хвойными породами. Поэтому древесный ярус выполняет роль своеобразного экрана и даже фильтра, прочно удерживающего радиоактивные выпадения. Под покровом леса находится лесная подстилка, представляющая собой мощный слой органических остатков различной степени разложения, который постепенно переходит в перегнойно-аккумуля- тивный горизонт. Обладая высокой удерживающей и сорбционной способностью, лесная подстилка оберегает почву от эрозии и механического уплотнения, является местом концентрации элементов питания и других веществ, в том числе и радиоактивных. Благодаря этим качествам лесные ценозы препятствуют развитию процессов ветрового и водного переноса радиоактивных веществ.

После выпадения радиоактивных осадков на лесную растительность начинается их вертикальная миграция из крон под влиянием сил гравитации, атмосферных осадков, с листопадом, в результате чего радионуклиды перемещаются в нижние слои крон и под покров леса. Скорость такой вертикальной миграции зависит от физико-химических характеристик радиоактивных выпадений, типа и возраста деревьев, метеорологических условий, сезона года. Крупные твердые частицы быстрее перемещаются в нижние уровни, чем мелкие и жидкие. Многолетний высокорослый лес, конечно, удерживает радионуклиды

в своих кронах дольше, чем подлесок. Лиственный лес на протяжении весенне-летнего периода значительно прочнее удерживает выпадения, чем хвойный, но осенний листопад ускоряет перемещение радионуклидов в лесную подстилку. Хвоя же, как известно, меняется раз в несколько лет. Естественно, вертикальная миграция радионуклидов из крон ускоряется при выпадении атмосферных осадков.

Через некоторое время, которое в хвойных лесах может измеряться многими годами, основная масса радиоактивных веществ переходит в лесную подстилку и верхний горизонт поч­ вы. Как и под травянистой растительностью на целине, в первые десятилетия после выпадений их основная масса накапливается в верхнем 10–15-сантиметровом слое. Именно из него уже через 4–5 пять лет в лиственном и через 8–10 лет в хвойном лесе, что обусловлено отмеченными особенностями в скоростях вертикальной миграции радионуклидов и более быстрой минерализацией листьев по сравнению с хвоей, начинается активный переход радионуклидов в деревья через корни.

Если механизмы усвоения радионуклидов одно-двухлетни­ ми травянистыми и многолетними древесными растениями практически одинаковы, то характер их накопления имеет принципиальные различия. Древесные растения, в отличие от травянистых, аккумулируют радионуклиды в коре, ветках, древесине. И хотя основная масса радиоактивных веществ концентрируется в листьях, а значительно меньшая – в древесине, многолетний практически замкнутый цикл радионуклидов по миграционной цепочке листья–лесная подстилка–почва–кор- ни–ствол–листья может приводить к накоплению существенных количеств долгоживущих радионуклидов именно в древесине (рис. 4.7), что может сделать ее непригодной в качестве строительного и поделочного материала.

При закладке древесных насаждений на загрязненных радиоактивными веществами территориях следует учитывать различную способность видов древесных пород к на-

Рис. 4.7. Динамика накопления

90Sr в древесине сосны с годами по-

сле разового внесения радионуклида в количестве 37 кБк/м2 под полог леса на дерново-подзолистой поч­ ве (загрязнение леса в результате аварии в Челябинской области в 1957 г. при плотности 1 Ки/км2; Р.М. Алексахин, М.А. Нарышкин, 1977).

коплению радионуклидов. Например, известно, что сосна и бук накапливают 90Sr в больших количествах, чем кедр и лиственница, а акация и вереск – больше, чем береза и липа. Это связано с кальцефильностью растений, характером размещения в почве корней и другими биологическими особенностями. Много радионуклидов накапливают быстро растущие древесные породы, например, семейства ивовых – ива, тополь, осина и др.

4.4.4. Особенности поступления в растения тяжелых естественных радионуклидов

Большинство тяжелых естественных радионуклидов (ТЕРН) – естественных радиоактивных элементов с атомной массой более 200 – находятся в почве в фиксированной, трудно растворимой и практически нерастворимой, малодоступной растениям формах. По имеющимся на сегодняшний день данным, ни один из них не играет какой-либо роли в процессах обмена веществ живых организмов, и лишь немногие, подобно радию, находящемуся во второй группе периодической системы элементов, обладают некоторыми химическими свойствами, объединяющими их с биогенными элементами этой группы – кальцием, магнием, цинком. Поэтому ТЕРН, поступая в растения через корни (практически единственный путь их поступления в растения), как правило, «застревают» на входе и очень слабо передвигаются по растению. Впрочем, это относится не только к ТЕРН, но и радионуклидам тяжелых искусственных радиоактивных трансурановых элементов (ТУЭ) – плутония, америция, кюрия и некоторым другим.

Но и эта способность у них выражена по-разному и также зависит от химических особенностей радионуклида, типа поч­ вы и, безусловно, вида растения. Как свидетельствуют данные табл. 4.7, полученные в Средней Азии в районе естественной радионуклидной аномалии на почвах с повышенным содержанием 238U и 232Тh, их количество в отдельных видах растений различается весьма существенно.

Во всех видах растений уран накапливается в значительно больших количествах, чем торий. Это объясняется тем, что уран частично находится в почве в обменной форме. Подземные органы растений содержат радионуклидов существенно больше, чем надземные, а зерно – во много раз меньше, чем солома.

Достаточного количества данных о том, что 226Rа ведет себя в растениях аналогично кальцию, нет. Но есть немало сведений о том, что известные растения-кальцефилы из семейства бобовых накапливают его в больших количествах, чем другие ТЕРН.

Таблица 4.7

Содержание и коэффициенты накопления (КН) 232Тh и 238U в основных сельскохозяйственных растениях Средней Азии

(Г.С. Ищенко, 1988)

*Содержание 232Тh в почве составило 344 Бк/кг.

**Содержание 238U в почве составило 672 Бк/кг.

4.5.Поступление радиоактивных веществ

ворганизм животных и человека

Радиоактивные вещества в организм животных и человека поступают тремя путями: через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) с пищей и водой (орально), органы дыхания с воздухом (аэрально) и кожные покровы (перкутально).

Поступление через органы дыхания в больших объемах имеет место лишь в период выпадения радиоактивных осадков. Незначительным является также проникновение радиоактивных веществ через кожу. Главный путь попадания радиоактивных веществ – через ЖКТ. С пищей в организм животных и человека поступает от 60 до 90% радионуклидов.

Участь радиоактивных веществ в животном организме не отличается от таковой обычных химических элементов, входящих в состав пищи. Поступая в ЖКТ, пищевые продукты подвергаются механической и биологической обработке, превращаясь в соединения, которые могут быть усвоены организмом. В процессе метаболизма с участием радиоактивных веществ различают два этапа.

Первый этап – переход радиоактивных веществ в удобные для усвоения формы. Для этого в ЖКТ существуют все благоприятные условия: способность к механическому разрушению и измельчению пищи в ротовой полости и желудке; большое количество разнообразных ферментов, осуществляющих начальные стадии расщепления белков, жиров и углеводов на более простые соединения; кислая среда, обеспечиваемая за счет желудочного сока, которая способствует переходу радиоактивных веществ в легко усваиваемые состояния.

Второй этап – всасывание радиоактивных веществ. Установлено, что они поглощаются практически на всем протяжении ЖКТ, хотя интенсивность этого процесса в различных его отделах неодинакова: в желудке, слепой и двенадцатиперстной кишках она минимальна, в толстой, тощей и подвздошной кишках – средняя и в тонком кишечнике – максимальна.

Процесс всасывания зависит от очень многих условий, в частности, характера пищи, ее количества, степени загрязнения радиоактивными веществами, их растворимости. Но главными факторами, определяющими биологическую подвижность радиоактивных веществ в животном организме, в том числе и всасывание, являются их физико-химические характеристики, формы соединений, вид животного, его возраст, физиологическое состояние.

Для оценки степени всасывания радионуклидов в ЖКТ используют так называемый коэффициент всасывания (КВС), представляющий собой отношение количества радионуклида в крови к его количеству в рационе (вариант коэффициента накопления), выражаемое обычно в процентах. В табл. 4.8 приведены значения КВС некоторых радионуклидов в ЖКТ пяти видов животных, свидетельствующие о том, что их усвоение может варьировать в очень широких пределах. Так, если всасыва-

Таблица 4.8

Коэффициенты всасывания (КВС) радионуклидов в желудочно-кишечном тракте животных, % от введенного количества

(А.Н. Сироткин, 1991)

ние 131I у жвачных животных достигает 100%, то у свиней оно в 1.3–3.0 раза меньше. Наоборот, 137Сs у свиней всасывается на 100%, а у жвачных – в 1.3–2.0 раза слабее. У кур всасывание 59Fе и 60Со в 7–18 раз выше, чем у жвачных, и в 4–12 раз – чем у свиней. Безусловно, такие различия объясняются особенностями обмена веществ разных видов животных.

Объемы всасывания радионуклидов зависят от возраста животных, и если для некоторых из них КВС у молодых особей приближаются к 100%, то у взрослых животных снижаются в 5–15 раз. Это объясняется высокой проницаемостью клеток кишечника и других отделов ЖКТ молодых животных и меньшей потребностью сформировавшихся взрослых животных в минеральных веществах.

И все-таки хотя скорость всасывания радионуклидов различна, уже через 24 ч после их поступления в ЖКТ в нем остается не более 10–15% от первоначального количества.

Радиоактивные вещества, всосавшиеся в кровь, распространяются с ее током по организму, где частично задерживаются, избирательно концентрируясь в отдельных органах и тканях. Однако большая их часть сразу же выводится из организма.

Участь радионуклидов, включившихся в метаболизм, неодинакова. Как правило, они задерживаются в тех органах и тканях, в состав которых входят их нерадиоактивные изотопы или химические аналоги. Поскольку химический состав тканей животных изучен довольно хорошо, можно с уверенностью предположить, в какие именно части организма попадет тот или иной радионуклид.

Выделяют три основных типа распределения радионуклидов в организме позвоночных животных: скелетный, ретикулоэндотелиальный и диффузный. Скелетный, или остеотропный тип характерен в первую очередь радиоактивным изотопам щелочноземельной группы, главным представителем которой являются изотопы кальция и его химического аналога стронция. В минеральной части скелета накапливаются также изотопы бария, радия, плутония, урана, бериллия, циркония, иттрия. Ретикулоэндотелиальное распределение характерно для радиоактивных изотопов редкоземельных металлов: церия, празеодима, прометия, а также цинка, тория, некоторых трансурановых элементов. Диффузный тип присущ изотопам щелочных элементов: калию, натрию, цезию, рубидию, а также водороду, азоту, углероду, полонию и некоторым другим.

Часть радионуклидов может накапливаться в очень высоких концентрациях в отдельных специализированных органах. Так, изотопы йода в значительных количествах накапливаются в щитовидной железе вследствие специфики обмена веществ этого органа (нередко выделяют тиреотропный тип распределения). В щитовидной железе могут накапливаться изотопы бро-