ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

При радиационной аварии выделяют несколько периодов в развитии радиационной ситуации. Первый период называют периодом йодной опасности. Он наблюдается сразу после выброса радионуклидов в атмосферу. Вследствие короткого периода полураспада изотопов йода этот период непродолжителен и завершается в течение нескольких месяцев. Через 2 месяца после завершения основных выбросов на Чернобыльской АЭС количество 131 I уменьшилось в 250 раз. При поедании животными загрязненных йодом кормов происходит его интенсивный переход в молоко и мясо.

Второй период в развитии радиационной обстановки начинается после распада короткоживущих радионуклидов и сопровождается преимущественно некорневым загрязнением кормовых угодий. Заканчивается этот период с завершением первого послерадиационного срока вегетации растений.

Третий период радиоэкологической ситуации в агропромышленном комплексе начинается со второго срока вегетации растений после радиационных выпадений. В этот период основным путем поступления радионуклидов в растения является корневой. Продолжительность периода может быть несколько десятков лет, если в составе аварийных выбросов присутствует большое количество долгоживущих изотопов l37 Cs, 90 Sr, 239 Pu и др.

Радиоактивные продукты ядерного деления, выпадая либо сами по себе («сухие» осадки) или чаще с атмосферными осадками («мокрые» осадки), а также 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 кроме 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.

90 Sr и 137 Cs играют основную роль 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 90 Sr его постоянным неизотопным носителем служит кальций, а для 137 Cs – калий.

В организме животных калий и кальций представлены как макроэлементы. При исследовании закономерностей передвижения 90 Sr и 137 Cs 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 90 Sr всегда обнаруживается в органах (продуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлупа), а максимальная концентрация 137 Cs – в объектах, богатых калием (например, мышцы).

На основании определенной пропорциональности накопления 90 Sr и кальция, 137 Cs и калия в биологических объектах количество радиоактивного стронция или радиоактивного цезия выражают не в абсолютных величинах, а в относительных по отношению к кальцию или калию. Содержание 90 Sr по отношению к кальцию в почвах, растениях, молоке и тканях животных при таком расчете выражают в стронциевых единицах (СЕ).

Аналогично рассчитывают содержание 137 Cs по отношению к калию в цезиевых единицах (ЦЕ). Однако цезиевыми единицами перестали пользоваться, когда выяснилось, что в процессе перехода по некоторым звеньям биосферы 137 Cs не испытывает дискриминации и в обмене далеко не всегда сходен с калием и вообще связан с ним меньше, чем 90 Sr с кальцием.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ВОДЕ, ПОЧВЕ И КОРМАХ

Среди многообразия форм состояния радионуклидов в почве выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочносвязанную необменную.

Среди этих форм наибольшую роль играют первые две, поскольку они 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, с одной стороны, от их физико-химических свойств, а с другой стороны, от свойств самой почвы, среди которых решающее значение играют ее тип, минеральный состав, кислотность, содержание органических веществ, увлажненность, длительность ее использования в агроэкосистемах и т. д.

Наибольшей доступностью для растений обладает стронций, который на 73,7 % в глобальных выпадениях находится практически полностью в водорастворимой форме, 137 Cs – в пределах 44,9 %, а 144 Се – около 13 %. Радионуклиды редкоземельных элементов, а также 185 W и 95 Zr находятся в выпадениях как в водорастворимой, так и нерастворимой формах, причем для 95 Zr и 144 Се характерно преобладание нерастворимой формы. Свойства радионуклидов редкоземельных элементов, а также радионуклидов из группы нейтронной активации ( 52,54 Mn, 55 Fe, 58, 60 Со) таковы, что почти все они в воде образуют малорастворимые соединения.

Микроорганизмы почвы снижают подвижность радионуклидов в биологическом круговороте. Они могут связывать до 60 % 137 Cs и этим препятствовать его дальнейшей миграции по пищевой цепочке. По профилю почв естественных экосистем 90 Sr распределяется с меньшей закономерностью, но более интенсивно, чем цезий, вследствие своей более высокой подвижности.

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 (диализуемой) 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.

Такие элементы, как стронций и кальций, не обладают сильно выраженной комплексообразующей способностью. В крови они находятся преимущественно в форме лабильно связанных с белками структур; при этом 45 Са и 90 Sr, несмотря на их химическую близость, связываются белками сыворотки крови в разных количествах. Кальция, связанного в крови белками, примерно в 2 раза больше, чем стронция. Кроме того, выявлена специфика распределения радионуклидов по отдельным белковым фракциям сыворотки крови.

Чем выше способность радионуклидов образовывать комплексы с белками, тем меньшая доля элементов переходит из организма матери через плацентарный барьер в организм плода. При взаимодействии с химическими элементами белки могут их восстанавливать или окислять, адсорбировать своей поверхностью или образовывать сложные комплексы. Различные белки по-разному связывают один и тот же элемент.

Радиоактивные вещества вследствие глобальных аварийных выбросов или каких-либо других причин, попадая из атмосферы на земную поверхность, могут непосредственно поступать в растения, оседая на их надземных частях. Одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития.

Способность проникновения радионуклидов через поверхность листьев и стеблей была установлена путем нанесения растворов радионуклидов на растения, при этом интенсивность проникновения и включения радионуклидов в растения обусловлена физико-химическими свойствами элементов. Высокой подвижностью в растениях обладают радионуклиды Cs, I и Th, низкой – радионуклиды Sr, Се и Ва. Через листья в растения проникает от 20 до 60 % поверхностно нанесенного раствора l37 Cs, а 90 Sг – всего лишь сотые доли процента.

Большое значение в накоплении растениями радионуклидов имеет фаза вегетации. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в значительно больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие.

Сведения о количестве и длительности пребывания радионуклидов на стеблях имеют важное значение для определения рациональных сроков и технологии уборки урожая. 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.

При некорневом радионуклидном загрязнении растительности переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как правило, выше, чем при корневом поступлении. Для оценки перехода радионуклидов из выпадений в кормовые культуры, организм сельскохозяйственных животных, в получаемую продукцию применяют коэффициенты пропорциональности. Эти коэффициенты характеризуют взаимосвязь концентрации радионуклидов в кормах или продуктах животного происхождения с уровнем выпадения их из атмосферы.

Перенос питательных веществ между трофическими уровнями называют пищевой цепью. В природе пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены и образуют сложную разветвленную сеть, которую называют пищевой сетью. Механизмы, с помощью которых растения и животные получают необходимые для их роста неорганические вещества из почвы, аналогичны тем механизмам, посредством которых радионуклиды поступают в биологические системы. Таким образом, естественные и искусственные радионуклиды стабильных химических элементов также циркулируют в биосфере по характерным биологическим цепям, проникая из внешней среды в организмы, а затем снова возвращаясь во внешнюю среду.

Закономерности перехода радионуклидов в трофических цепях и сетях сельскохозяйственных животных изучены еще недостаточно. В частности, не обобщены результаты радиоэкологических исследований по изучению механизмов миграции радионуклидов по пищевым цепям, ведущим к сельскохозяйственным животным, и метаболизма их в организме при разных путях поступления.

Мероприятия по снижению поступления радионуклидов в кормовые культуры.

Мероприятия по снижению концентрации радионуклидов в растениях при корневом их поступлении разделяют на две группы: традиционные в растениеводстве приемы, направленные на повышение плодородия почвы, урожайности и качества продукции; специальные приемы, направленные на снижение накопления радионуклидов в продукции растениеводства.

Традиционные агротехнические приемы включают: вспашку загрязненной почвы с оборотом пласта или отвальным плугом; подбор культур и сортов растений с наименьшим накоплением радионуклидов; применение приемов прополки, снижающих вторичное загрязнение; перевод естественных кормовых угодий в кормовой севооборот; поверхностное улучшение кормовых угодий; коренное улучшение природных сенокосов и пастбищ; известкование кислых почв; внесение двойных доз калийных и фосфорных удобрений; внесение органических удобрений (40 т/га и более) и микроудобрений.

Специальные защитные мероприятия предусматривают применение высоких доз калийных удобрений; внесение глинистых минералов и местных глин для увеличения емкости поглощения почвой радиоактивного цезия и снижения его биологической подвижности.

Специальные технологические приемы включают применение приемов уборки урожая, снижающих вторичное загрязнение: уборку зерновых прямым комбайнированием, использование высокопроизводительных машин и т. д.; промывку, сортировку и первичную очистку плодоовощной продукции и корнеплодов; переработку продукции с целью снижения содержания радионуклидов.

Известкование кислых почв. Внесение извести – эффективный прием снижения поступления 137 Cs и 90 Sr из почвы в растения и одновременного существенного увеличения урожайности. Установлено, что внесение извести в дозе, соответствующей полной гидролитической кислотности, снижает содержание радионуклидов в продукции растениеводства в 1,5...3 раза (иногда до 10 раз) в зависимости от типа почв и исходной степени кислотности.