|
|
|
РАДИОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАИБОЛЕЕ
ОПАСНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗОТОПОВ ПО ИХ РАДИОТОКСИЧНОСТИ.
5.1. Токсикология радиоактивных элементов. Факторы влияния на
токсичность радионуклидов.
Токсикология радиоактивных элементов
( радиотоксикология
)составляет
специальную отрасль знаний, предметом которой является:
-изучение путей поступления в организм, закономерностей распределения в нем
и включение в молекулярные структуры тканей( инкорпорирование), особенностей
накопления
(депонирование
) радиоактивных изотопов в различных органах и
выведение их из организма.
-исследование биологического действия инкорпорированных радиоактивных
изотопов.
-разработка методов и средств предотвращения резорбции радиоактивных
изотопов и ускоряющих их выведение из организма.
Токсичность радионуклидов зависит от:
1)Вида и энергии излучения, периода полураспада;
2)Физико-химических свойств веществ, в составе которого радионуклид попадает в
организм;
3)Типа распределения по тканям и органам;
4)Скорости выведения из организма.
Вид и энергия излучения. Энергия излучения имеет прямую связь с
поражающим действием радиоактивного изотопа: чем она больше, тем сильнее
поражение.
Вид излучения является одной из главных характеристик, определяющих
токсичность радиоизотопа.
Степень биологического действия различных видов излучений зависит от их
линейной передачи энергии (ЛПЭ). Величина ЛПЭ частицей или квантом веществу
обуславливает их линейную плотность ионизации
(удельную ионизацию). У
тяжелыхчастиц (альфа -частицы, протоны) плотность ионизации очень высокая, у
легких (бета -частицы, гамма-лучи) - низкая, т. е. тем выше энергия и короче пробег,
тем больше у нее ЛПЭ.
Как правило, излучения, имеющие высокую ЛПЭ, обладают большей
биологической эффективностью, Данный феномен свидетельствует о том, что степень
действия различных видов излучения зависит не только от общего количества
поглощающей энергии, но и от геометрии распределения ее в органах, тканях и
клетках.
Для выражения различий биологического действия излучений с неодинаковыми
значениями ЛПЭ принят коэффициент относительной биологической эффективности
(ОБЭ). Значения его взяты относительно рентгеновых лучей и зависят от излучаемого
объекта и признака, Например, при общем облучении организма для быстрых
нейтронов коэффициент ОБЭ равен 10, а при местном облучении половых желез- 35.
Период полураспада радионуклида является важной характеристикой его
биологической активности. Наибольшую опасность для млекопитающих и птиц
представляют изотопы с периодом полураспада от нескольких дней до нескольких
десятков лет.
Это объясняется тем, что при коротком периоде полураспада, измеряемом
секундами-минутами, основная масса радионуклида распадается, не достигнув тканей
организма, и следовательно, не создает опасную концентрацию, например
210Ро
(полоний) или 220 Ра (протактиний); период полураспада их составляет 3*107с. Это же
можно сказать о изотопах йода-134,136,140, являющихся продуктами деления тяжелых
ядер; период полураспада их равен нескольким секундам- минутам.
Радионуклиды с большим периодом полураспада (десятки тысяч лет и более) в
естественных условиях, также не смогут создать эффект дозы, которая привела бы к
развитию лучевого заболевания. Например, 233U имеет период полураспада 4,5 109 лет.
К тому же если учесть, что в земной коре его находится 0,0001%, а в организме еще
меньше, то получается, что в естественных условиях он не вызовет у животных
лучевой болезни.
Однако в некоторых случаях токсичность коротко или долгоживущих
радионуклидов может усиливаться дочерними радионуклидами.
Физико-химические вещества в составе которых радионуклид попадает в
организм. При внутреннем поступлении радионуклидов в организм их биологическое
действие во многом будет определяться агрегатным состоянием вещества. Наибольшее
действие оказывают те радионуклиды, которые легко образуют газ и водорастворимые
соединения. Они интенсивно и в большом количестве всасываются в кровь, быстро
распространяются по всему организму или концентрируются в соответствующих
37
органах.
Биологическое действие малорастворимых или нерастворимых радионуклидов
определяются степенью дисперсности аэрозоля или порошка, в форме которого
вещество поступает в организм. Нерастворимые радиоактивные частицы, попадая в
легкие, на слизистые оболочки, в желудочно-кишечный тракт с кормом или водой
могут
адсорбироваться
эпителиальными
клетками
или
клетками
ретикулоэндотелиальной системы или задерживаться в желудке, кишечнике или
длительное время облучать ткани, вызывая выраженное местное радиационное
поражение.
На степень биологического действия радионуклидов при внутреннем
поступлении, большое влияние оказывает наличие нерадиоактивных изотопов этого
элемента или химического элемента аналога в данном веществе. Например, элементы-
аналоги кальций и стронций принадлежат ко второй группе элементов.
В радиохимии для предотвращения потерь радиоактивного изотопа в
химических реакциях специально добавляют весовые количества нерадиоактивных
соединений этого элемента или его химического аналога. Эти добавки принято
называть носителями; в первом случае они называются изотопными, во втором -
неизотопными. При одновременном поступлении в организм радионуклида и его
носителя всасывание и отложение их в тканях идет в прямо пропорциональном
отношении к поступившему количеству.
На основании указанной закономерности предложены методы защиты
отдельных органов от лучевого поражения радионуклидами. Например, полноценные
по кальцию рационы(кальций неизотопный носитель стронция) значительно уменьшает
инкорпорацию радиоизотопов стронция в костной ткани.
5.2. Классификация радиоактивных изотопов по их радиотоксичности.
Группы радиотоксичности.
По степени биологического действия радионуклиды как потенциальные
источники внутреннего облучения разделены на 5 групп.
1)Группа А - радионуклиды особо высокой радиотоксичности. К данной группе
относятся радиоактивные изотопы : свинец-210, полоний-210, радий-226, торий-230,
уран-232, плутоний-238 и др.
Среднегодовая допустимая концентрация (Ки/л) для них в воде установлена в
пределах х (10 -10-10 -80 Ки/л)
2)Группа Б
- радионуклиды с высокой радиотоксичностью, для которых
среднегодовая допустимая концентрация в воде равна х (10 - -10 -7) Ки/л).
Сюда относятся изотопы : рутений-106, йод-131, церий-144, висмут- 210, торий-
234, уран-235, плутоний-241 и др. К этой же группе отнесен стронций-90, для которого
указанная концентрация равна 4х10-10Ки/л.
3)Группа В - радионуклиды со средней радиотокичностью.
Для данной группы среднегодовая допустимая концентрация в воде установлена
(10 -8-10 -7 Ки/л. )В группу включены изотопы : натрий-22,
фосфор-32, сера-35, хлор-36, кальций-45, железо-59, кобальт-60, стронций-89,
молибден-99, сурьма-125, цезий-137, барий-140, золото- 96 и др.
4)Группа Г - радионуклиды с наименьшей радиотоксичностью.
38
Среднегодовая допустимая концентрация их в воде равна х (10 -8-10 -7) Ки/л.В
группу входят следующие изотопы : бериллий-7, углерод-14, фтор-18, хром-51, железо-
55, медь-64, теллур-129, платина-197, ртуть- 197, таллий-200 и др.
5)Группа Д. Эту группу составляет тритий и его химические соединения (окись
трития и сверхтяжелая вода). Допустимая концентрация трития в воде установлена 3,2*
10-6 Ки/л.
На основе степени радиотоксичности предъявляются надлежащие санитарные
требования при работе соответственно радиоактивному изотопу.
Факторы, определяющие степень биологического действия радиоактивных
изотопов. Биологическая эффективность радиоактивных элементов определяется
физическими (доза, период полураспада, виды и энергия излучения) и биологическими
(тип распределения, пути и скорость выведения) свойствами радиоактивных изотопов,
видовой и индивидуальной радиочувствительностью животных.
Животные в пищевой цепочке человека служат звеном, уменьшающим
радиоактивную опасность, так как они обладают способностью к фильтрации и
"захвату в ловушку" радиоактивных нуклидов и таким образом, несколько снижают
поступление последних в организм человека с пищей.
Из изотопов, являющихся продуктами деления тяжелых ядер, наиболее важное
значение для с/х животных и человека имеют 3 радиоактивных изотопа: йод-131,
стронций-90, цезий-137.
5.3. Радиотоксикологическая характеристика наиболее опасных
радионуклидов.
5.3.1. Токсикология молодых продуктов деления.
Молодые продукты деления- это смесь короткоживущих радионуклидов. Спад
их активности происходит очень быстро.
Наибольшее биологическое значение в составе смеси имеют радиоактивные
изотопы йода(йод -131,132,133,135), а также короткоживущие изотопы стронция-89, 91,
молибдена-99, теллура-132, бария-140, церия-143- они быстро выделяется из
организма, несмотря на то, что эффективный их период короткий.
Биологическое действие короткоживущих радионуклидов происходит в
основном за счет бета-излучения, доза которого значительно превышает дозу от гамма-
излучения.
Токсикологическое действие смеси короткоживущих радионуклидов у
сельскохозяйственных животных животных еще изучено мало.
5.3.2. Метаболизм, токсикология радиоактивного стронция.
Стронций- щелочноземельный элемент второй аналитической группы
периодической системы элементов таблицы Д. И. Менделеева. Поэтому по химическим
свойствам сходен с другими представителями этой группы- кальцием, барием. Он
имеет более 10 радиоактивных изотопа- от стронция-81 до стронция-97, наиболее
важными из которых являются стронций-89
(период полураспада
51 сутки)
Максимальная энергия бета- излучения 1,46 МэВ, стронций-90 ( период полураспада 28
лет, максимальная энергия бета-излучения 0,54 МэВ) Образуются они при делении
урана в реакторах, а так же при взрывах атомных бомб, как продукты ядерного
деления.
Стронций-90 претерпевает бета-распад и превращается в дочерний
39
радиоактивный элемент иттрий-90. Который находится с ним в равновесном состоянии
по радиоактивности. Период полураспада иттрия составляет 64,2 ч, максимальная
энергия бета-частиц 2,18 МэВ.
Как и другие радионуклиды, стронций-90 выпадает на поверхность земли в виде
твердых частиц или с дождем в растворимом или нерастворимом коллоидном
состоянии и попадает на растительный покров или непосредственно на поверхность
почвы.
Основной
источник
поступления
радионуклида
в
организм
сельскохозяйственных животных- корм, в меньшей степени-вода
(2%) и воздух.
Поступление в организм через органы дыхания с воздухом может иметь практическое
значение.
Поступивший в организм с кормом и водой стронций-90 (как и Са) хорошо
всасывается в желудочно-кишечный тракт, уровень всасывания зависит от многих
факторов
(состава рациона, физико-химических свойств соединения, возраста
животных, функционального состояния организма) и колеблется то 5 до 100%.
Большинство стронция всасывается у молодых животных-это связано с большой
высокой потребностью их организма в щелочноземельных элементах, необходимых
для построения скелета.
Добавки Са к рациону с целью уменьшить усвоения стронция-90 эффективна
только для молодых животных, а для взрослых и старых существенного влияния не
имеет.
У изотопов стронция скелетный тип распределения. При любом поступлении в
организм они более чем на 90% избирательно откладываются в костях. Содержание его
в мышцах обычно не превышает 10% суточного поступления.
Отмечена высокая скорость обмена радиоизотопа в звене кровь - органы -
ткани. Быстрое снижение концентрации его в крови после поступления в нее
объясняется интенсивным включением радиоизотопа в органы и ткани и выведением
через экскреторные органы и молочную железу (у лактирующих животных).
Стронций-90 накапливается в участках костей, обладающих наибольшей зоной
роста (в диафизе больше, чем в эпифизе). В компактном веществе кости имеется всегда
большая его концентрация, чем в губчатом. С возрастом животных эта разница
сглаживается. Накопление стронция-90 в костях приводит к радиоактивному
облучению не только костей и костного мозга, но и окружающих тканей.
При пероральном поступлении стронция-90 в организм главным каналом
выведения является желудочно-кишечный тракт, а при ингаляционном-
мочевыделительная система . Стронций-90 выделяется и с молоком, но в меньшем
количестве. При увеличении содержания кальция в рационе переход стронция в молоко
снижается. После прекращения поступления в организм, концентрация его в молоке
также быстро снижается.
Период полувыведения стронция-90 из мягких тканей составляет 2,5-8,5 сут, а из
костей. 90-154 сут.
Реальные возможности снижения перехода радиоизотопов в животную
продукцию проявляется в организации рационов кормления и содержания животных.
Например, содержание животных на естественных пастбищах способствует
повышению перехода радиоизотопов в продукты животноводства. А при переводе их
на культурные пастбища или на стойловое содержание в
10-15 раз снижается
40
поступление радиоизотопов в организм животных, следовательно, и в продукты
животноводства. Поступивший в организм стронций-90 действует неблагоприятно.
Наиболее выраженные патологические изменения возникают в костях и в
костном мозге в связи с преимущественной концентрацией его в костной ткани.
В разные сроки после поражения, как при однократном, так и при длительном
поступлении стронция-90 у животных развиваются лейкозы, остеосаркозы,
новообразования желез внутренней секреции и молочных, гипофиза, яичников и др.
Существенно изменяются спермо и овогенез, функции печени и почек,
иммунологическая реактивность организма.
5.3.3. Токсикология радиоактивного цезия.
Цезий- элемент первой аналитической группы в периодической системе
элементов.
Многие химические соединения его (нитраты, хлориды, карбонаты) растворимы
в воде, поэтому хорошо всасываются в желудочно-кишечный тракт ,разносятся по
всему организму и выводятся из него.
Из радиоактивных изотопов цезия наиболее биологически опасны цезий- 134 и
цезий-137. При распаде ядер атома цезия-137 излучаются бета- частицы с
максимальной энергией - 1,46 МэВ и гамма-кванты. Период полураспада равен 30
годам (долгоживущий).
Период полураспада дочернего радиоактивного изотопа бария-137 равен 2,57
мин.
Радиоактивный цезий- продукт деления ядер тяжелых элементов
(урана,
плутония) по степени радиотоксичности относится к группе В.
Продукты ядерного деления, в том числе и цезий-137, от места образования
распространяются в виде радиоактивного облака, состоящего из летучих веществ и
частиц разного размера (от нескольких микрон до видимых глазом). Выпадающих
вместе с осадками (дождь, снег, сухие осадки) в течении многих лет после ядерного
взрыва, загрязняющих воздух, почву, растительность.
Один из основных источников попадания цезия-137 в растения - почва.
Переработка и подготовка кормов к скармливанию могут значительно изменить
в них концентрацию радионуклидов.
В естественных условиях цезий-137, как и другие радионуклиды, в организм
животных, в том числе птиц, поступает через желудочно-кишечный тракт, органы
дыхания, поврежденные и неповрежденные кожные покровы. Оральный путь-
основной. Поступление радионуклида через органы дыхания имеет намного меньшее
значение, поскольку не все радиоактивные частицы задерживаются в дыхательных
путях, часть их удаляется при выдохе, часть-со слизью, при кашле, которая животным
заглатывается.
Усвоение цезия-137 осуществляется в основном в тонком кишечнике. Степень
всасывания его в желудочно-кишечный тракт достигает 100%, так как он образует
хорошо растворимые соединения. У молодых животных цезий усваивается больше, чем
у старых. У животных с однокамерным желудком он всасывается быстрее, чем у
животных с многокамерным. Это, очевидно, обусловлено более быстрой эвакуацией
химуса из однокамерного желудка в кишечник. Отмечена исключительно высокая
скорость обмена радиоизотопа в звене кровь - органы- ткани.
41
Характер метаболизма цезия-137 своеобразен, сходен обменом калия и
определяется физико-химическим свойствами.
Накапливается цезий-137 в основном в мышцах и паренхиматозных органах,
меньше- в крови, жировой ткани и коже. В условиях длительного непрерывного
поступления с кормами и водой накопление его в организме происходит постепенно, а
затем наступает состояние равновесия, (поступление = выведение).
В мышцах овец накопление цезия-137 продолжается более 105 дней, а во
внутренних органах- 8-18. Величина перехода его в мясо у травоядных выше, чем у
всеядных. Концентрация цезия-137 в белке яйца в 2-3 раза выше, чем в желтке, а в
скорлупе- лишь 1-2% от общего содержания в яйце.
Цезий-137, как и другие радиоизотопы, выводится из организма с калом, мочой,
а у продуктивных животных- с молоком, яйцами и другими путями.
Скорость выведения зависит от уровня продуктивности животных. У
высокопродуктивных изотоп выводится быстрее. Так, при суточном удое
20 л
выводится до 13% суточного поступления радиоцезия, а при 14 л - 8,8%.
Чем больше в рационе грубых кормов, чем меньше выводится с 1 л молока
цезия-137.
Эффективный период полувыведения (Т эфф) по цезию-137 лактирующих коров
составляет от 20 до 50 дней.
Важный объект исследования при радиохимическом анализе на содержания
цезия-137- мясо разных животных, в том числе птиц. При исследовании трех видов
мяса (говядины, баранины и свинины) наибольшая концентрация этого радиоизотопа
установлена в баранине; в говядине в 2 раза, а в свинине в 3 раза его меньше, в оленине
в 10 раз выше, чем в мясе других животных. Зависит это от поедаемой животными
растительности.
Оленина- олени в зимний период питаются мхами и лишайниками, в которых
большая концентрация радиоцезия . В летний период концентрация цезия-137 в
оленинине снижается, т. к. животные едят в основном траву, активность которой по
данному радиоизотопу меньше, чем у лишайников.
Кроме того при пастбищном содержании увеличивается содержание цезия-137 в
молоке.
Радиоционно-гигиенические нормативы, которыми руководствуются радиологи,
исходят из предельно допустимых суточных доз (ПДС) поступлений радионуклидов в
пищевом рационе людей. Отсюда можно определить допустимое суточное попадание
радионуклидов с кормами сельскохозяйственных животных животных.
Такие нормы окончательно не установлены, но приблизительно в суточном
рационе молочного скота цезия-137 не должно быть более 1,3 мкКи, для мясного скота-
0,33, а для овец- 0,175. Как исключение, можно допустить трехкратное превышение
этих норм. Разумеется, что любые изменения норм ПДС для человека должны повлечь
за собой изменения ПДС для животных.
5.3.4. Токсикология радиоактивного йода.
ЙОД- элемент седьмой группы периодической системы элементов, относится к
подгруппе галогенов. В химических соединениях проявляет переменную валентность :
-1 (йодиды), +5 (йодаты), +7 (перйодаты) В объектах внешней среды йод находится в
виде этих анионов в элементарном состоянии. Для выделения йода используют
42
труднорастворимый йодид серебра.
Известны 24 радиоактивных изотопа йода с массовыми числами в интервалах
117-126 и 128-139. Все они искусственные и являются продуктами ядерных реакций.
Образуются при делении тяжелых ядер (урана, плутония). Наиболее важные: йод-
125(период полураспада 60 сут., максимальная энергия бета-излучения 0,61 МэВ), йод-
129(1,7 107лет,0,12 МэВ), йод-131 (8,06 сут., 0,26-0,81 МэВ), йод-133 (21ч, 0,4-1,2 МэВ)
В „свежих,, выпадениях радиоактивных осадков, после проведенных атомных
испытаний или в результате аварий на атомных предприятиях вначале биологически
опасны йод-131, -132, -133 и 135, через неделю - йод-131 и 132, через две недели-
только йод-131.
ЙОД-131 является смешанным бета и гамма-излучателем, высокотоксичным
радиоизотопом (группа Б), среднегодовая допустимая концентрация его в воде равна (х
-7-10 -9 Ки/л).
Источники загрязнения внешний среды, кормов и продуктов
животноводства: испытательные ядерные взрывы в атмосфере и воде, радиоактивные
отходы промышленных предприятий, лабораторий и научно-исследовательских
институтов, работающих с РВ высокой активности при нарушении ими правил
захоронения отходов и при авариях на этих предприятиях. Нормальная работа
реакторов на атомной электростанции не приводит к облучению населения,
превышающему принятые предельно допустимые уровни.
При аварийном радиоактивном выбросе из ядерного реактора в атмосферу
радионуклида йода(особенно йод-131) является критическим компонентом загрязнения
внешний среды и по сравнению с другими радионуклидами представляют наибольшую
опасность инкорпорированного облучения населения в первые месяцы после аварии.
Изотопы йода в смеси короткоживущих продуктов ядерного деления составляют
около 20%.
Радиоактивный йод-131 обладает высокой летучестью химически активный
элемент, имеет большую способность миграции по звеньям биологической цепи и
высокий коэффициент концентрации. Он включается в компоненты биосферы почва-
вода-флора-фауна и участвует в биологическом цикле обмена веществ. Хорошо
растворимые в воде соединения йода усваиваются растениями и животными. В
растениях йод-131 прочно задерживается и практически не удаляется с их поверхности
при промывании водой. Корневое усвоение йода-131 при произрастании растений на
гумусной почве превосходит усвоение стронция-90 в 14раз, а на песчаной почве- в 2
раза.
Радиоактивные изотопы йода в организм животных поступают
преимущественно через пищеварительный тракт с кормом и водой и могут попадать и
через органы дыхания, кожу, коньюктиву, раны и другими путями. Йод- активный
биогенный элемент и, попадая в организм, в результате хорошей растворимости на
100% всасываются в кровь.
Через 13-14 часов концентрация его в крови уменьшается в 2 раза, т. к. он
быстро перераспределяется по органам и тканям.
От 20 до 60% изотопов йода откладывается в щитовидной железе, которая
является критическим органом для йода.
Концентрация йода-131 в тканях животных по отношению к концентрации его в
крови (условно взята за единицу) и распределяется в следующем порядке: кровь-1,
43
почки, печень, яичники-2-3, слюнная железа, моча-5-15, щитовидная железа-10000
Радиотоксикологическое действие радиоактивного йода проявляется, прежде
всего, в поражении щитовидной железы. Малые дозы не вызывают заметных
нарушений в тиреоидной ткани. Большие дозы йода- 131 у всех животных приводят к
разрушению щитовидной железы и замещению паренхимы соединительной ткани.
Существенные изменения возникают в нервной и эндокринной системах. Атрофия
щитовидной железы сопровождается слизистым перерождением мышцы сердца,
подкожной клетчатки, ожирением печени. Отмечаются глубокие изменения в
кроветворных органах, которые приводят к анемии, лимфопении, нейтропении и
тромбоцитопении.
Из организма животных и птиц радиоактивный йод
,как и стабильный,
выводится преимущественно почками с мочой, через желудочно-кишечный тракт с
калом, а у продуктивных животных- с молоком, у птиц- с яйцами.
При длительном поступлении йода-131 курам-несушкам с кормом в желток
переходит до16%, а в белок- около 1% от суточного количества.
В местностях с недостаточным содержанием йода у коров, потребляющих
загрязненные корма и воду, выделение йода-131 с молоком больше, чем в местностях с
нормальным содержанием йода. Выведение йода-131 с молоком в определенной мере
уменьшает накопление его в щитовидной железе, так как установлено, что у
лактирующих коров концентрация йода-
131 в щитовидной железе ниже, чем у
сухостойных.
На уровень усвоения животным йода-131 влияет содержание в кормах
изотопных (стабильный йод) и неизотопных(хлор) носителей.
Например, введение в организм стабильного йодида калия на 50% снижает
включение радиоактивного йода в щитовидную железу овец и телят. Дача йодида калия
курам (80 мг на курицу) снижает включение йода-131 в яйцо на 70%, а неизотопного
носителя йода в виде хлористого калия- даже на 90%. Таким образом, эти препараты
могут использоваться в качестве профилактики накопления радионуклидов йода в
организме.
Для снижения поступления радиоактивных элементов животных в период
йодной опасности переводят на стойловое содержание. Для кормления используют
запасы кормов, не загрязненных радионуклидами, а при их отсутствии скармливают
скошенную зеленную массу, используют пастбища рационально.
При выпасе коров на удобренных пастбищах с хорошим травостоем содержание
йода-131 в молоке снижается до
50%. Это связано с понижением концентрации
радионуклидов в растениях на единицу массы вследствии увеличения урожайности на
удобренных почвах. Чем интенсивнее прирастает биомасса растений, тем сильнее идет
разбавление РВ.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные факторы, обуславливающие токсичность радионуклидов.
2. Дайте характеристику молодым продуктам деления.
3. Назовите группы радиотоксичности радионуклидов.
4. Метаболизм и токсикология йода 131
5. Токсикология стронция 90
44
|