Радионуклиды радиоактивных рядов, формирующие основную дозовую нагрузку на организм человека

Радионуклиды, не входящие в радиоактивные ряды

Эта группа в основном состоит из 11 долгоживущих радионуклидов (период полураспада от 10⁷ до 10¹⁵ лет). Из них наибольший вклад в формирование эффективной дозы вносят К-40 и Rb-87.

Калий-40 (К-40) занимает 2 место как источник излучений, обусловливающих природный радиоактивный фон. Ядро К-40 претерпевает бета-распад, T_1/2 - 1, 32 × 10⁹ лет. К-40 является бета- и гамма-источником облучения биоты. В природе К-40 всегда сопутствует стабильному К-39 (доля К-40 - около 0, 01%), формируя годовую эффективную дозу за счет внешнего облучения 0, 12 мЗв и 0, 18 мЗв за счет внутреннего облучения.

К-40 часто обусловливает активность поверхностного слоя почвы, равную 1-2 Ки/км². Активность растительного покрова Земли по К-40 равна (0, 5-1) × 10^-8 Ки/кг сырого веса. Активность пищевых продуктов по К-40 составляет 10^-9 Ки/кг сырых продуктов. Наибольшая активность К-40 регистрируется в клюкве, орехах, фасоли, картофеле.

Из почвы К-40 поступает в растения, а затем, с пищей - в организм животных и человека. Радиоактивные изотопы калия поступают в организм, главным образом, с пищей и водой. Калий практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях. Т_б калия составляет 58 суток (Т_б - время, в течение которого из организма выводится половина введенного вещества).

Суточная потребность человека в калии составляет около 3 г, т.е. в организм может поступать и значительное количество К-40. Например, средняя активность К-40 в красном костном мозге человека оценивается в 121 Бк/кг (содержание калия в красном костном мозге - 4 г/кг), в скелетных мышцах - 90 Бк/кг (содержание калия - 3 г/кг).

Рубидий-87 (Rb-87) входит в состав продуктов деления урана (до 6%). Ядро Rb-87 претерпевает β -превращение, T_1/2 - 4, 8 × 10¹⁰ г. При пероральном поступлении практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях. Т_б из мягких тканей человека составляет 44 (от 32 до 57) суток.

Радионуклиды радиоактивных рядов, формирующие основную дозовую нагрузку на организм человека

Наибольшее значение в формировании дозы внутреннего облучения имеют радий-226, радон-222, полоний-210, свинец-210.

Радий-226 (Ra-226) широко распространен в природе. Ra-226 претерпевает альфа-распад с образованием Rn-222, T_1/2 - 1620 лет. Может поступать в организм через желудочно-кишечный тракт (коэффициент всасывания в желудочно-кишечном тракте - 0, 2), органы дыхания и неповрежденную кожу. Его источником для человека в основном служат зерновые культуры и хлеб, куриные яйца. Среднее поступление с жидкостями и пищей – 2, 3 × 10^-12 г/сут. Радий, независимо от химической формы соединения при поступлении, депонируется в костной ткани, из которой выводится с T₆, равным 17, 13 лет.

Полоний-210 (Po-210) подвергается альфа-распаду с образованием стабильного Pb-206, T_1/2 - 138, 38 сут., коэффициент всасывания из желудочно-кишечного тракта - 0, 2. В среднем за сутки в организм человека с пищей поступает 0, 037-0, 37 Бк Po-210 (т.н. нормальное поступление). В регионах, где человек потребляет пищу морского происхождения, а также питается мясом северных оленей, наблюдается повышенное поступление Po-210 в организм - 2, 2-11, 1 Бк/сут (например, в диете японцев содержание Pb-210 в 11-18 раз превышает среднестатистические цифры). Курение увеличивает поступление Po-210 в организм человека: в легких курильщика, выкуривающего 10 - 60 сигарет в сутки, создаются концентрации Po-210 1, 66 мБк/г, что в 2-9 раз выше, чем у некурящих, и соответствует дозам 0, 027-0, 04 мГр/год. Из организма человека Po-210 выводится с Т_б, равным приблизительно 80 сут.

Свинец-210 (Pb-210) подвергается бета-превращению (электронный распад) с образованием Bi-210, распадается с Т_1/2 - 22, 3 года, коэффициент всасывания в желудочно-кишечном тракте - 0, 2 (для всех соединений). Элемент остеотропен, связан с обменом кальция и фосфора. Из организма (в том числе и из костной ткани) выводится с Т_б, равным 12 - 10000 сут. Pb-210 - один из источников появления в организме Po-210.

9. Пути воздействия радионуклидов чернобыльского выброса на население республики.

Выделяют несколько основных типов воздействия радионуклидов чернобыльской аварии на организм человека:

1. Внешнее гамма-облучение от радиоактивного облака. Оно было недолгим и продолжалось до формирования радиоактивного следа на местности и объектах окружающей среды. Его вклад в формирование дозы в первый послеаварийный год составил 2, 5%.

2. Ингаляиионное поступление радионуклидов в организм человека. Формирует 4, 5% дозы за счёт внутреннего облучения организма. Аэрозольное загрязнение атмосферного воздуха можно разделить на 2 этапа:

а) относительно кратковременный - это момент выброса газоаэрозольной струи в атмосферный воздух, формирование и перенос радиоактивных облаков до момента их осаждения на поверхность земли, воды, объекты окружающей среды, т.е. ингаляционное поступление радионуклидов из радиоактивного облака;

б) непрерывный - вторичное загрязнение атмосферы за счёт ветрового подъёма пыли.

Загрязнение приземного слоя атмосферы в результате ветровой эрозии почвы является дополнительным фактором загрязнения территории радионуклидами. Мельчайшие аэрозольные частички переносятся с воздухом на большие расстояния вследствие медленной седиментации. В ряде случаев перенос радиоактивной пыли обуславливал повторное загрязнение дезактивированных территорий. Особую опасность вторичное загрязнение атмосферы радионуклидами за счет ветрового подъема пыли представляет для населения, постоянно проживающего и работающего на загрязненной территории.

3. Внешнее гамма-излучение от осевших на земную поверхность и объекты окружающей среды радионуклидов (осадки также интенсивно вымывают радиоактивные вещества из атмосферы).

Облучение организма от осевших радионуклидов самое длительное и интенсивное. Оно формирует около 50-60% дозы у населения.

Данный тип воздействия обусловлен, в основном, гамма-излучением цезия-137 и другими гамма-излучающими радионуклидами.

Основными факторами, уменьшающими внешнее гамма-излучение, являются: естественный распад радионуклидов и миграция радионуклидов вглубь почвы.

В настоящее время доза на организм человека формируется за счет долгоживущих радионуклидов: цезий-137 имеет период полураспада 30 лет; стронций-90 - 29, 1 лет; тритий - 12 лет; углерод-14 - 5730 лет; плутоний-239 -более 24000 лет.

Как показывают результаты исследований, проводимые на загрязнённых территориях, миграция радионуклидов вглубь почвы незначительна. Основная масса цезия-137 спустя 12 лет после аварии сосредоточена в верхнем 5-сантиметровом почвенном слое. В обедненных гумусом дерново-подзолистых песчаных почвах максимум концентрации радиоцезия находится на глубине 3, 5-4, 5 см. Наиболее интенсивно вертикальная миграция протекает в торфяниках. Основная часть радиостронция (51-78%) находится в поверхностных слоях (0-1см) почвы, причем 2-5% - растворимых. Ближайший и долгосрочный (50 лет) прогнозы показывают, что самоочищение почв вследствие вертикальной миграции радионуклидов будет происходить крайне медленно.

Нахождение радионуклидов в корнеобитаемом слое, а также увеличение относительного количества обменного стронция в поверхностных слоях почв будут длительное время обуславливать интенсивную миграцию радионуклидов по пищевым цепочкам.

4. Внешнее контактное гамма- и бета-облучение, обусловленное радиоактивным загрязнением кожи и одежды. Население г. Припяти получило 150-200 мЗв контактного облучения на кожу.

5. Попадание радионуклидов в организм по пищевым цепочкам. Для нашей республики этот тип воздействия радионуклидов имеет особое значение. Это связано с особенностями почв, преимущественно в Белорусском Полесье.

Среди загрязненных радионуклидами земель Беларуси больше половины составляют почвы легкого гранулометрического состава, характеризующиеся низкой емкостью поглощения, малым содержанием гумуса и вторичных глинистых минералов. В легких почвах республики радионуклиды цезия-137 и стронция-90 аномально подвижны, т.е. они плохо связываются частицами почвы и поэтому коэффициент перехода их в растения высокий. Хорошо фиксирует радионуклиды чернозем, глинистая почва, а в Белорусском Полесье почва песчаная, подзолистая, торфяно-болотная, т.е. легкая. Указанные особенности Полесского региона имеют принципиальное значение и определяют высокие уровни накопления радионуклидов в местных продуктах питания и высокие дозовые нагрузки на организм проживающего там населения.

6. Облучение щитовидной железы инкорпорированным йодом-131. Выделяется вследствие клинической значимости.

Из всей совокупности дозообразующих радионуклидов и путей облучения особое влияние на дозу облучения населения за послеаварийный период оказали:

- внутреннее облучение от короткоживущих радионуклидов (прежде всего йода-131), поступивших в организм человека ингаляционно и перорально с загрязненными продуктами питания;

- внешнее облучение от радионуклидов, выпавших на поверхность почвы;

- внутреннее облучение от долгоживущих радионуклидов, поступавших перорально с загрязненными продуктами питания.

10. Радиоактивность тела человека.

Радиоактивность тела человека обусловлена присутствием в организме всех тех радиоактивных изотопов, которые встречаются в биосфере. Ориентировочное представление о содержании наиболее распространенных радиоактивных веществ можно получить из табл. 1.

Таблица 1

Содержание естественных радиоактивных изотопов в теле человека

Радиоактивность всего ряда урана и тория с дочерними продуктами выше примерно в 10 раз. Что касается уровня содержания радиоактивных веществ в отдельных органах и системах тела человека, то представляется необходимым рассмотреть в первую очередь радиоактивность, обусловленную присутствием изотопов, которые обязательно входят в состав живых структур и без которых невозможно существование организма. К этой группе относятся калий, углерод и водород.

Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (массой 70 кг) составляет 0, 19 % (130 г). Особенно богаты калием ткани и органы, обладающие высокой функциональной активностью. К их числу относятся: скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень, селезенка и др.

Основным депо калия в организме является мышечная ткань. Ввиду того что ⁴⁰К. встречается в природе в смеси со стабильными изотопами в количестве 0, 0119%, удельная радиоактивность органов и тканей тела человека по ⁴⁰К определяется содержанием в них стабильного изотопа (табл. 2).

Таблица 2

Содержание калия и 40К в отдельных органах и тканях тела человека

Как показали результаты многих исследований, содержание калия, а следовательно и ⁴⁰К в организме человека зависит от пола, возраста, массы тела, характера мышечной деятельности и т.д. У мужчин содержание калия в мышцах обычно выше, чем у женщин; большие концентрации калия обнаруживаются у лиц, выполняющих тяжелую физическую работу. Дистрофические изменения в мягких тканях при старении организма сопровождаются снижением уровня калия. Таким образом, отклонения концентрации калия в органах и системах отдельных индивидуумов по сравнению с указанными в табл. 2 данными могут быть довольно значительными и достигать 150–200% и выше.

Общее содержание углерода в теле взрослого человека достигает 18%, т.е. около 12, 6 кг. Учитывая равномерное распределение углерода в тканях, можно считать, что удельная радиоактивность их по ¹⁴С составляет 1, 4 * 10^-9 Ки/кг.

Количество трития в организме практически постоянно и определяется содержанием стабильного изотопа (около 10, 2% в мышцах и 6, 4% в костях). Удельная активность мягких тканей тела человека за счет ³Н составляет 1, 5 * 10^-11 Ки/кг, а костей – 0, 92 * 10^-11 Ки/кг.

В заключение следует указать, что активность тела человека, обусловленная присутствием ⁴⁰К, ¹⁴С и ³Н в первую очередь зависит от количества стабильных элементов, уровень содержания которых диктуется требованиями постоянства внутренней среды, определяемой функциональным состоянием организма. Возможные значительные колебания радиоактивности пищевых рационов за счет указанных изотопов в данном случае не имеют существенного значения.

Биологическая роль присутствующих в организме в ничтожно малых количествах радиоактивных изотопов, условно относимых ко второй группе, до сих пор неизвестна. Избирательное накопление в отдельных органах и системах этой группы изотопов или их равномерное распределение обусловлено химическими свойствами, близкими к свойствам биологически необходимых стабильных химических элементов. Из радиоактивных веществ этой группы по содержанию в организме наиболее глубоко изучен радий. Этот изотоп, подобно кальцию и другим остеотропным элементам, накапливается преимущественно в костной ткани (табл. 3).

Таблица 3

Содержание радия в отдельных органах и тканях тела человека

Количество радия в организме в целом по оценкам различных авторов находится в пределах от 0, 48 * 10^-10 до 4, 8 * 10^-10 г.

Основная часть ²¹⁰Рb (до 70%) содержится в скелете. При относительно большом его периоде полувыведения, равном 2000 сут, возможно накопление равновесного количества ²¹⁰Ро. Удельная активность ²¹⁰Рb в костной ткани составляет от 13 до 110 nКи/кг, в мягких тканях – 0, 2–18 nКи/кг. Следует отметить, что с воздухом в течение суток в легкие человека поступает около 0, 02 nКи ²¹⁰Ро; у человека, выкуривающего одну пачку сигарет в сутки в легкие поступает до 2 nКи ²¹⁰Ро.

Общее содержание урана в организме невелико и характеризуется величинами порядка 8 * 10^-6 – 1 * 10^-5 г/г. На долю тория и его α -активных дочерних продуктов приходится до 40% от суммарной α -активности тела человека. Кроме того, некоторое значение в радиоактивности тканей и органов имеет радон, при концентрации которого во вдыхаемом воздухе 3 * 10^-13 Ки/л активность мягких тканей за счет α -излучателей может достигать 1, 3 * 10^-12 Ки/кг.

Приведенные выше уровни в организме человека радия, урана и других радиоактивных изотопов, относимых ко второй группе, ориентировочны, и представить удельную активность органов и тканей в средних величинах в этом случае весьма затруднительно. Это связано с тем, что на степень радиоактивности отдельных органов и тканей тела человека, с одной стороны, влияет скорость обменных процессов и функциональное состояние организма, а с другой – имеется определенная значимость величины содержания этой группы изотопов в рационе. При постоянном однозначном поступлении с рационом радиоактивных веществ устанавливается равновесие между поступлением и выведением их из организма. При этом в отдельных органах и тканях создается равновесная концентрация. В случае увеличения содержания изотопов в рационе равновесная концентрация возрастает.

Из материалов, представленных выше, видно, что основным источником радиоактивных элементов, поступающих в организм человека, являются пищевые продукты. Вода в этом отношении имеет второстепенное значение, и только, в случае повышения активности по радию до 1 * 10^-12 Ки/л и более обнаруживается ее определенная роль в формировании радиоактивности тела человека.