Радиоактивное загрязнение почв

В почвах присутствуют почти все известные в природе химические элементы, в том числе и радионуклиды.

Радионуклиды – химические элементы, способные к самопроизвольному распаду с образованием новых элементов, а также образованные изотопы любых химических элементов. Следствием ядерного распада является ионизирующая радиация в виде потока

- альфа-частиц (поток ядер гелия, протонов),

- бета-частиц (поток электронов),

- нейтронов,

- гамма-излучение,

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации и возбуждению ее атомов и молекул.

Ионизирующие излучения имеют

- электромагнитную (гамма- и рентгеновское излучения) и

- корпускулярную (альфа-излучение, бета-излучение, нейтронное излучение) природу.

Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, обусловленное гамма-лучами (дискретными пучками или квантами, называемыми фотонами), если после альфа- или бета-распада ядро остается в возбужденном состоянии. Гамма-лучи в воздухе могут проходить значительные расстояния. Фотон гамма-лучей с высокой энергией может проходить сквозь тело человека. Интенсивное гамма-излучение может повредить не только кожу, но и внутренние органы. Защищают от этого излучения плотные и тяжелые материалы, железо, свинец. Гамма-излучение можно создавать искусственно в ускорителях зараженных частиц (микротрон), например, тормозное гамма-излучение быстрых электронов ускорителя при их попадании на мишень.

Рентгеновское излучение – аналогично гамма-излучению. Космическое рентгеновское излучение поглощается атмосферой. Рентгеновские лучи получают искусственно, они приходятся на нижнюю часть энергетического спектра электромагнитного излучения.

Радиоактивное излучение - естественный фактор в биосфере для всех живых организмов, да и сами живые организмы обладают определенной радиоактивностью. Среди биосферных объектов почвы обладают наиболее высокой естественной степенью радиоактивности. В этих условиях природа благоденствовала многие миллионы лет, разве что в исключительных случаях при геохимических аномалиях, связанных с месторождением радиоактивных пород, например, урановых руд.

В XX человечество столкнулось с радиоактивностью запредельно превышающей естественную, а следовательно и биологически анормальную. Первыми пострадавшими от избыточных доз радиации были великие ученые, открывшие радиоактивные элементы (радий, полоний) супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. А затем: Хиросима и Нагасаки, испытания атомного и ядерного оружия, многие катастрофы, в том числе Чер-нобыльская и т.д.

Действие радиации зависит от энергии частиц и силы излучения, то есть числа частиц, вылетающих в единицу времени.

Сила излучения измеряется в беккерелях (1 Бк = 1 распад в секунду) или кюри (1 Ки = 3, 7⋅ 10¹⁰ Бк). Дозу излучения, поражающую организм, находят путем измерения количества поглощенной им энергии. В качестве единиц радиоактивности используют также:

- кулон/килограмм - Кл/кг (1 Кл/кг = 38763 рентген);

- грей (1 Гр = 100 рад);

- зиверт (1 Зв = 100 бэр).

Куло́ н (русское обозначение: Кл; международное: C) - единица измерения электрического заряда (количества электричества) в Международной системе единиц (СИ).

Бэр (биологический эквивалент рентгена) - устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы ионизирующего излучения. До 1963 года эта единица понималась как «биологический эквивалент рентгена», в этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген. В СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад — обе единицы равны 0, 01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице.

100 бэр равны 1 зиверту.

Поскольку бэр достаточно большая единица измерения, обычно эквивалентную дозу измеряют в миллибэрах (мбэр, 10^{− 3} бэр) или микрозивертах (мкЗв, 10^{− 6} Зв). 1 мбэр = 10 мкЗв.

Максимальные дозы, не причиняющие вреда организму человека, в случае их многократного действия равны 3⋅ l0^-3 Гр (0, 3 рад) в неделю и в случае единовременного действия — 0, 25 Гр (25 рад).

Доза естественного облучения зависит от

- высоты над уровнем моря,

- природы подстилающих почву пород.

Радиоактивное излучение является канцерогенным (вызывает раковые заболевания) и мутагенным (увеличивает частоту мутаций) фактором.

На процесс поглощения и накопления радиоактивных изотопов живыми организмами влияют многие факторы:

1. Природа радиоактивных элементов. Наибольшее значение имеют изотопы с длинным периодом полураспада и особенно те, которые накапливаются в тканях: Sr⁹⁰ в костях и I¹³² в щитовидной железе.

2. Очень высокая специфичность коэффициента концентрации, который представляет отношение элемента в организме к его количеству в окружающей среде. Этот коэффициент изменяется в очень широких пределах, от 1 до 200, а иногда и значительно больше. Поэтому некоторые организмы благодаря извлечению радиоактивных элементов из окружающей среды сами становятся токсичными.

3. Содержание в окружающей среде элементов-антагонистов. Отмечено, что в пищевых цепях радиоизотопы способны вступать в конкурентные отношения с другими химическими элементами. Чем меньше содержание соответствующих элементов в окружающей среде, тем большее значение приобретают изотопы. Так живущие в бедной среде организмы загрязняются быстрее, чем обитающие в богатой. Овцы, пасущиеся на бедных кислых торфянистых почвах (pH 4, 3), имеют коэффициент концентрации в костях Sr⁹⁰, равный 714, против 115 на бурой пустынно-степной почве с pH 6, 8.

4. Вид и возраст организмов. Радиочувствительность разных организмов весьма различна. Установлено, что микроорганизмы более чувствительны к а- и р- лучам, а крупные организмы — к у лучам. По степени устойчивости к радиации живые организмы образуют ряд: бактерии > насекомые > млекопитающие. Молодые особи обладают большей радиочувствительностью и большей интенсивностью поглощения радионуклидов, чем старые.

Наиболее значимыми объектами биосферы, определяющими биологические функции всего живого являются почвы.

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов.

Различают

- естественную,

- искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность почв вызывается естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах.

Естественные радионуклиды подразделяют на 3 группы.

Первая группа включает радиоактивные элементы — элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран (²³⁸U, ²³⁵U), торий (²³²Th), радий (²²⁶Ra) и радон (²²²Rn, ²²⁰Rn).

Во вторую группу входят изотопы «обычных» элементов, обладающие радиоактивными свойствами: калий (⁴⁰К), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (⁴⁸Са), цирконий (⁹⁶Zr) и др.

Третью группу составляют радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей: тритий (3Н), бериллий (⁷Ве, ¹⁰Ве) и углерод (¹⁴С).

Валовое содержание естественных радиоактивных изотопов в основном зависит от почвообразующих пород. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, содержат радиоактивных изотопов больше, чем образовавшиеся на основных и ультраосновных породах; тяжелые почвы содержат их больше, чем легкие.

Естественные радиоактивные элементы распределяются по профилю почв обычно относительно равномерно, но в некоторых случаях они аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах. В почвах и породах присутствуют преимущественно в прочносвязанной форме.

Искусственная радиоактивность почв обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Образование изотопов в почвах может происходить вследствие наведенной радиации. Наиболее часто искусственное радиоактивное загрязнение почв вызывают изотопы урана, плутония, йода, селена, бария, рутения, стронция, цезия: ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ¹²⁹I, ¹³¹I, ¹⁴⁴Ce, ¹⁴⁰Ba, ¹⁰⁶Ru, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и т. д.

Экологические последствия радиоактивного загрязнения почв заключаются в следующем. Включаясь в биологический круговорот, радионуклиды через растительную и животную пищу попадают в организм человека и, накапливаясь в нем, вызывают радиоактивное облучение. Радионуклиды, подобно многим другим загрязняющим веществам, постепенно концентрируются в пищевых цепях.

В экологическом отношении наибольшую опасность представляют ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Это обусловлено длительным периодом полураспада (28 лет ⁹⁰Sr и 33 года ^l37Cs), высокой энергией излучения и способностью легко включаться в биологический круговорот, в цепи питания. Стронций по химическим свойствам близок к кальцию и входит в состав костных тканей, а цезий близок калию и включается во многие реакции живых организмов.

Искусственные радионуклиды закрепляются в основном (до 80-90%) в верхнем слое почвы: на целине — в слое 0—10 см, на пашне — в пахотном горизонте. Наибольшей сорбцией обладают почвы с высоким содержанием гумуса, тяжелым гранулометрическим составом, богатые монтмориллонитом и гидрослюдами, с непромывным типом водного режима. В таких почвах радионуклиды способны к миграции в незначительной степени. По степени подвижности в почвах радионуклиды образуют ряд ⁹⁰Sr > ^l06Ru > ¹³⁷Cs > ¹⁴⁴Се > ¹²⁹I > ²³⁹Pu. Скорость самоочищения почв от радиоизотопов зависит от скоростей их радиоактивного распада, вертикальной и горизонтальной миграции.

Период полураспада радиоактивного изотопа — время, необходимое для распада половины количества его атомов.

Вклад антропогенных источников загрязнения почвенного покрова в общую дозовую нагрузку на человека мал по сравнению с естественным радиационным фоном. Однако четко проявляется тенденция увеличения с течением времени роли локального антропогенного радиационного фактора, что следует учитывать при разработке мер охраны почв от радиоактивного загрязнения.

Особенность радиоактивного загрязнения почвенного покрова заключается в том, что количество радиоактивных примесей чрезвычайно мало и они не вызывают изменений основных свойств почвы — pH соотношения элементов минерального питания, уровня плодородия, поэтому, в первую очередь, следует лимитировать (нормировать) концентрации радиоактивных веществ, поступающих из почвы в продукцию растениеводства.

Поскольку в основном радионуклиды являются тяжелыми металлами, то основные проблемы и пути нормирования, санации и охраны почв от загрязнения радионуклидами и тяжелыми металлами в большой степени сходны и зачастую могут рассматриваться вместе.