Биологические эффекты воздействия ионизирующего излучения на организм человека

План лекции:

1). Виды радиоактивных излучений. Радиочувствительность органов и систем человека при внешнем и внутреннем облучении.

2). Характеристика радиоактивного загрязнения территории РБ. Последствия для здоровья населения РБ, для животного и растительного мира.

3). Организация сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения территории.

Виды радиоактивных излучений. Существует несколько типов радиоактивного излучения, отличающихся по энергии и по проникающей способности, которые оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. К радиоактивным излучениям относятся:

Альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц, каж­дая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проникающая способность этого вида излучения невелика. Оно задерживается несколькими сантиметрами воздуха, несколькими листами бумаги, обычной одеждой. Альфа-излучение может быть опасно для глаз. Оно практически не способно проникнуть через наружный слой кожи и не представляет опасности до тех пор, пока радионуклиды, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом – тогда они могут стать чрезвычайно опасными. В результате облучения относи­тельно тяжелыми положительно заряженными альфа-частицами через опре­деленное время могут возникнуть серьезные повреждения клеток и тканей живых организмов.

Бета-излучение – это поток движущихся с огромной скоростью отрица­тельно заряженных электронов, размеры и масса которых значительно меньше, чем альфа-частиц. Это излучение обладает большей проникающей способностью по сравнению с альфа-излучением. От него можно защититься тонким куском металла типа алюминия или слоем дерева толщиной 1.25 см. Если на человеке нет плотной одежды, бета-частицы могут проникнуть через кожу на глубину нескольких миллиметров. Если тело не прикрыто одеждой, бета-излучение может повредить кожу. Оно проходит в ткани организма на глубину 1-2 сантиметра.

Гамма-излучение, подобно рентгеновским лучам, представляет собой электромагнитное излучений сверхвысоких энергий. Это излучение очень ма­лых длин волн и очень высоких частот. С рентгеновскими лучами знаком каж­дый, кто проходил медицинское обследование. Гамма-излучение обладает вы­сокой проникающей способностью, защититься от него можно лишь толстым слоем свинца или бетона. Рентгеновские и гамма-лучи не несут электриче­ского заряда. Они могут повредить любые органы.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК. Это повреждения, лежащее в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК: химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структуры этого биополимера.

Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки. Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности, гиалуроновой кислоты, нару­шения первичной (вследствие избирательного повреждения отдельных амино­кислот) и вторичной структуры ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т.п.

Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеино­вого обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК. Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повыша­ется ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницае­мости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для фер­ментативной клетки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в клет­ках полидезоксинуклеотдов. В крови и моче облученных нарастает количество нуклеотидов и продуктов их разрушения – азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Отчасти наруше­ние синтез РНК зависит от повреждения матричных структур ДНК.

Поскольку у человека основную часть массы тела состояние вода (порядка 75%), первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении радикалов типа OH- и Н+. В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (Н₂О-) и перекись водорода (Н₂О₂), являющиеся сильными окислителями.

Повреждение биомолекул химически активными продуктами радиолиза воды называют непрямым (косвенным) действием излучения.

Радиочувствительность – это чувствительность биологических объектов к действию ионизирующего излучения.

Мерой радиочувствительности является доза облучения, вызывающая гибель 50% облученных организмов за 30 суток или за 60 суток.

При облучении страдают все органы и ткани, но ведущим для организма является поражение одного или нескольких критических органов. Критические органы – это жизненно важные органы и системы, которые повреждаются первыми в данном диапазоне доз, что обуславливает гибель организма в определенные сроки после облучения.

В зависимости от критического органа выделяют 3 основных радиационных синдрома:

1. Костно-мозговой – развивается при облучении в диапазоне доз 1-10 Гр (Гр-Грэй: 1Гр = 1Дж/кг), средняя продолжительность жизни не более 40 суток, на первый план выступают нарушения гемопоэза.

2. Желудочно-кишечный – развивается при облучении в диапазоне доз 10-80 Гр, средняя продолжительность жизни около 8 суток. Ведущим является поражения кишечника.

3. Церебральный – развивается при облучении в дозах более 80-100 Гр, продолжительность жизни менее 2 суток, развиваются необратимые изменения.

Для большинства органов и тканей потеря достаточно большого количества клеток влияет на их функции. Однако, если число потерянных клеток очень велико, то ткани или органу может быть нанесен значительный ущерб, в результате они могут утратить свои функции. Вероятность нанесения такого ущерба будет равна нулю при малых дозах, но выше некоторого уровня (порога) будет резко возрастать до 100%. Выше порога тяжесть эффекта также будет увеличиваться вместе с дозой. Эффекты данного типа называются детерминированными.

Результат будет совершенно другим, если облученная клетка не погибла, изменилась. Вероятность возникновения рака в результате облучения обычно возрастает с увеличением дозы, скорее всего, без порога и приблизительно пропорционально дозе (по крайней мере, при дозах, значительно ниже порогов ля детерминированных эффектов). Доза не влияет на тяжесть заболевания раком. Эффекты такого типа называют стохастическими, что говорят об их “случайной или статистической природе”. Если повреждение возникает в клетке, функция которой заключается в передаче генетической информации последующим поколения, то любые возникающие в результате эффекты самых различных типов и степени тяжести отражаются на потомстве облученного человека. Стохастические эффекты такого типа называются “наследуемыми”.

Характеристика радиоактивного загрязнения территории Республики Беларусь. За весь период после аварии на ЧАЭС специалисты уточняли количество выброшенных из разрушенного реактора радиоактивных веществ.

В соответствии с исследованиями доля выброшенного в атмосферу цезия-137 составила от 20 до 40%, а йода-131, соответственно, от 50 до 60% активной части реактора. Выделенные в результате аварии радионуклиды примерно распределились так: Беларусь – 34%, Украина – 20%, Российская федерация – 24%, Европа – 22%.

Загрязнение территории радионуклидами оказалось неравномерным, так как в течение первых 10 суток выбросы происходили периодически, а ветер неоднократно менял свое направление.

Основной вклад в радиоактивное загрязнение местности Республики Беларусь в первые дни после аварии внесли йод-131, 132, телур-132, другие короткоживущие радионуклиды: рутений-103, барий-140 и др. Позже стали доминировать цезий-134 и цезий-137. 25% от общего количество выброшенных радионуклидов составлял йод-131. Практический вся территория Республики Беларусь была загрязнена йодом-131.

На отдельных участках территории республики активность йода-131 в почве достигла 37000 кБк/м² (1000 Ku/км²). Являясь бета- и гамма-излучающим веществом, находясь в аэрозольном состоянии, он нанес основной удар по щитовидной железе населению, испытывающему дефицит йода. Он легко проникает в овощи, ягоды, молоко. Период биологического полувыведения – 12 суток. После распада йода-131 (его период полураспада составляет 8, 04 суток) основными источниками радиоактивного загрязнения местности в Республике Беларусь в настоящее время остались: цезий-137 – загрязнения составляет 23% территории республики (4 6450км²); стронций-90 – загрязнение составляет 10% территории республики (21100км²); плутоний-239 – загрязнение составляет 2% территории республики (4300км²).

В результате первоначального радиоактивного загрязнения цезием-134, 137, стронцием-90 и плутонием-239 в зонах загрязнения оказалось 3668 населенных пунктов с населением более 2 млн человек, в том числе 500 тыс. детей. Полностью оказались радиоактивно загрязненными Гомельская и Могилевская области, 10 районов Минской области, 6 районов Брестской области, 6 районов Гродненской области и 1 район Витебской области.

На территории Республики Беларусь плотность радиоактивного загрязнения составила от 1 до 200 Ku/км².

Следует отметить, что из территории с поверхности активностью по цезию-137 более 40 Ku/км² после аварии на ЧАЭС население было выселено, но часть из них была снова заселена мигрантами из стран СНГ. Всего было отселено 135 тысяч человек.

Характеристика основных радионуклидов, действия их и продуктов их распада на территории Республики Беларусь сводится к следующему:

- Цезий-137. Это щелочной металл серебристо-белого цвета, мягкий, тягучий. В воздухе моментально воспламеняется. В природе входит в состав отдельных минералов. Хорошо сорбируется почвами (особенно черноземами). Бела- и гамма-излучатель. Период полураспада составляет 30, 2 года.

Цезия много в зерне, стеблях картофеля, в зелени и других растениях. В водной среде процессы миграции цезия идут интенсивнее, поэтому в рыбе он накапливается в значительных количествах. В организм человека поступает через желудочно-кишечный тракт, легко всасывается (50-80%) и свободно циркулирует в составе крове по всему телу. Основная часть цезия накапливается в мышцах(80%), в костях(8%). Выводится из организма с мочой, калом и потом. Период биологического полувыведения из организма взрослого человека – 110 суток, у детей до 15 лет – 50 суток, до 5 лет – 20 суток.

Аналогичное накопление радионуклидов происходит и у животных, но у коров большая часть цезия переход в молоко, у кур – в яйца. По химическим свойствам целий-137 близок к калию и является его конкурентом (если в организме дефицит калия, усваивается цезий). При попадании в организм человека может вызвать лейкемию, рак молочной железы, печени, подавление системы кровеносным и лимфатическим капиллярам. Период биологического полувыведения его из кожи равен одним суткам.

- Стронций-90. Это серо-белый металл, легкий, ковкий, пластичный.

Входит в состав минералов. Бета-излучатель. Период полураспада – 29 лет. Входит в состав биологической ткани животных и растений. В растениях в основном накапливается в корневой системе. Его также много в зерне, листовых овощах. Стронций-90 конкурирует с кальцием, поэтому у человека и животных избирательно накапливается в костях, но некоторое накопление происходит в почках, слюнной и щитовидной железах, в легких, откладывается также на стенках сосудов, способствует интенсивному отложению солей. Период биологического полувыведения – 20 лет.

- Плутоний-239. Это металл серого цвета. Альфа-излучатель. Обладает также слабым гамма-излучением и мягким рентгеновским излучением. Период полураспада – 24065 лет. Особо опасен при попадании в органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и на поврежденную кожу. При дефиците кальция и стронция избирательно накапливается в костях, но при попадании в кровеносное русло 45% плутония задерживается в печени. Плутоний также аккумулируется в скелете и в лимфатических узлах. Плутоний-239 подавляет систему кроветворения и иммунную систему. На территории республики плутоний-239 выпал только в Брагинском, Светлогорском и Рогачевском районах.

Последствия для здоровья населения Республики Беларусь в основном определяются дозовыми нагрузками облучения. В дополнении к уже полученному облучению радиоактивным йодом и другими коротко живущими радионуклидами, в первую очередь, цезием-137, стронцием-90 и плутонием-239, а в последнее время и америцием-241.

Значительная часть населения Республики Беларусь продолжала жить на радиоактивного загрязненной территории, используя в пищу продукты местного производства, которые формируют основную дозовую нагрузку на организм (более 80%). При этом сельские жители получили большие дозовые нагрузки, чем городские. При одинаковом питании со взрослыми дозовые нагрузки детей в 3-5 раз больше, что связано с меньшим весом и наличием более активных обменных процессов в детском организме.

Правительством Республики Беларусь с целью снижение дозовых нагрузок на население принято ряд мер, однако проблемы состояния здоровья для населения загрязненных радионуклидами территорий сохраняются. Статистика подтверждает, что в начальный период после аварии на ЧАЭС состояние здоровья населения Республики Беларусь продолжало ухудшаться.

Назовем последствия для здоровья населения, которые, по мнению специалистов, вызваны радиоактивным загрязнением местности коррелируют с дозовыми нагрузками:

- увеличение количества онкологических заболеваний (по онкологии щитовидной железы в Гомельской области – в 6 раз и 7, 3 раза для мужчин и женщин, у детей в республике, в целом, в 50 раз. При этом сохраняется корреляция заболеваний со степенью загрязнения территории: максимальное количество заболеваний приходится на 1990-1991 гг.);

- ослабление иммунной системы (рост простудных и других заболеваний);

- рост числа генетических нарушений (по республике увеличилось в среднем на 18%, на загрязненной территории – в среднем на 30%; число врожденных пороков развития у детей, проживающих на территориях с высокими уровнями радиации – в 5 раз);

- снижение чувствительности организма к действию лекарственных препаратов);

- рост заболеваний эндокринной системы (в среднем по республике увеличился в 4, 5 раза по сравнению с периодом до аварии).

По данным Всемирной организации здравоохранения индивидуальные дозы на щитовидную железу у людей, проживающих на загрязненных территориях Беларуси, находились в диапазоне от нескольких десятков миллиГрэй до нескольких десятков Грэй.

После аварии на ЧАЭС, когда основным источником облучения был радиоактивный йод-131 и другие короткоживущие радионуклиды, щитовидная железа диких животных получила дозу в 15000-20000 бэр. Это вызвало те же заболевания, что и у человека. Наблюдались и генетические нарушения: необычно крупные зайцы, ежи без колючек, отсутствие потомства, ряд других отклонений.

Более устойчивыми к облучению оказались птицы, для которых летальная доза при облучении всего тела составляет от 460 до 3000 бэр, в то же время дозы, которые влияют на потомство, составляют 50-200 бэр. Еще более устойчивыми к радиации оказались рептилии, земноводные и беспозвоночные. Научные исследования фауны показали, что у почвенных беспозвоночных произошли изменения в формуле крови.

Домашние животные. Из домашних животных больше пострадал крупный рогатый скот. Радиоактивным оказалось не только молоко, но и мясо. Известно, что 80% радионуклидов, которые вместе с кормами поедает корова, уходят в молоко. Стронций-90, так же как и у человека, накапливается в костях домашних животных, правда у кур его большая часть переходит в скорлупу яиц. Цезий-137 находится в желтке и значительно меньше в мясе кур.

Растительный мир Беларуси также оказался пострадавшим от чернобыльской аварии. В Беларуси зона радиоактивного загрязнения охватила 26% лесного фонда (1, 73 млн. га) и большую половину луговых угодий в поймах рек. Наиболее чувствительны к радиации деревья, менее чувствительны кусты, травянистые виды и еще мене чувствительны мхи и лишайники. В значительной степени поглощают радионуклиды следующие виды растений: сосна, береза, ель, осина, рябина, малина, черника, укроп, клюква, петрушка, шпинат, бобовые, злаки, гречка, яровой рапс, белая ромашка, мхи, красная и черная смородина и др.

В деревьях радионуклиды распределяются неравномерно: ¹/₆ находится в стволе, ⁵/₆ – в коре, ветвях и листьях. Во фруктах они, в основном, находятся в косточках, в капусте – в верхних листах и кочерыжке, в свекле и моркови – в начале ботвы и т.п.

Реализация комплексных мер обеспечила существенное снижение доз облучения населения, проживающего на загрязненных в результате аварии территориях Республики Беларусь.

Таким образом, в лекции рассмотрены причины аварии на ЧАЭС. Представлена характеристика радиоактивного загрязнения территории Республики Беларусь. Проанализированы последствия для здоровья населения республики, для животного и растительного мира. Описан государственно-правовой механизм преодоления последствий чернобыльской катастрофы и результаты его работы.

Организация сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения территории. Сохраняющиеся высокие уровни радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий обуславливают необходимость проведения комплекса реабилитационных мероприятий, направленных на снижение перехода радионуклида по цепочке: почва – сельскохозяйственная продукция – продукты питания – человек. В числе этих мер - организационные, агротехнические, агрохимические, технологические мероприятия на сельскохозяйственные угодьях, специальные мероприятия в животноводстве.

Организационные мероприятия: инвентаризация угодий по плотности загрязнения радионуклидов в урожае и продукции животноводства; инвентаризация угодий в соответствии с результатами прогноза и определение площадей, где возможно выращивание культур для различного использования (на продовольственные цели; для производства кормов; для получения семенного материала; на техническую переработку); изменение структуры посевных площадей и севооборотов; переспециализация отраслей животноводства; организация радиационного контроля продукции; оценка эффективности мероприятий и уровня загрязнения урожая после их проведения.

Агротехнические приемы: увеличение доли площадей под культуры с низким уровнем накопления радионуклидов; фрезерование и глубокая вспашка с оборотом пласта верхнего слоя на естественные кормовых угодьях; механическое удаление верхнего слоя почвы, концентрирующего основное количество радионуклидов; гидромелиорацию, предотвращение вторичного загрязнения почв за счет комплекса противоэрозионных мероприятий; коренное и поверхностное улучшение сенокосов и пастбищ, включающее технические мероприятия, посев травосмесей с минимальным накоплением радионуклидов; перевод радионуклидов в трудноусвояемые формы; фитомелиорация загрязненных почв; применение средств защиты растений.

Агрохимические мероприятия: оптимизация физико-химических свойств почв посредством известкования кислых почв, внесения органических удобрений, повышенных доз фосфорных и калийных удобрений; оптимизация азотного питания растений на основе почвенно-растительной диагностики; внесение микроудобрений.

Технологические приемы: промывка и первичная очистка убранной плодоовощной и технической продукции, переработка полученной продукции с целью снижения в ней концентрации радионуклидов, специальная система кормления животных с применением сорбирующих препаратов.

Мероприятия по уменьшению концентрации радионуклидов в продуктах животноводства можно разделить на четыре группы:

1) приемы, используемые при содержании животных на лугах и пастбищах, подвергшихся радиоактивному загрязнению;

2) мероприятия по изменению рациона кормления сельскохозяйственных животных;

3) перепрофилирование отраслей животноводства;

4) технологическая переработка продуктов животноводства.

Таким образом, в лекции регламентированы проблемы эвакуации и отселения населения при необходимости. Приведены дозовые нагрузки, установленные для населения. Предложены рекомендации по санитарно-гигиеническим мероприятиям населению, пострадавшему от радиации. Представлены физические, химические и биологические способы защиты от радиации. Проведены рекомендуемые мероприятия по организации сельскохозяйственного производства на загрязненных территориях.