Сельскохозяйственная радиобиология (стр. 3 )

При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающих образование значительного количества продуктов активации – наведенную радиоактивность. Основными источниками загрязнения окружающей среды являются радиоактивные осколки 238U, 239Pu, тритий 3Н и радиоуглерод 14С. В результате проведенных до 1959 года термоядерных взрывов в земной атмосфере образовалось около 560 кг 14С.

Загрязнение окружающей среды зависит от характера взрывов, мощности зарядов, атмосферных условий, географических зон и широт.

При воздушном взрыве РВ распыляются на большой площади, но под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе.

Взрывы средней и малой мощности (до нескольких килотонн тротилового эквивалента) загрязняют в основном тропосферу – на высоте 18 км, мелкие и крупные частицы выпадают на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра, образуя локальные радиоактивные загрязнения. Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют, главным образом, стратосферу на высоте 80 км. Воздушными течениями частицы ПЯД способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, образуя в результате выпадения глобальные загрязнения. Следует отметить, что продукты взрывов распределяются следующим образом: при воздушном взрыве 99 % задерживается в стратосфере; при наземном взрыве 20 % попадает в стратосферу, а 80 % выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30 % остается в стратосфере, а 70 % выпадает локально. Продукты ядерного деления (ПЯД) могут находиться в тропосфере 2-3 месяца, в стратосфере –
3-9 лет. По данным исследователей, из имеющихся в стратосфере ПЯД ежегодно осаждается 10 % 90Sr и 137Cs.

По данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 года, суммарная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонн по тротиловому эквиваленту, в т. ч. при воздушных взрывах – 406,2 Мт, при наземных – 104,7 Мт. Выпадение радионуклидов составило в МКи: 3H – 360,
14C – 6,2; 55Fe – 50, 89Sr – 2800, 90Sr – 12,2, 106Ru – 330, 144Ce – 182,4, 137Cs – 19,5, 239Pu – 0,32. Расчеты показали, что ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 года, составляют для населения умеренного пояса Северного полушария: от внешнего облучения – 110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад – 37, костного мозга – 150, клеток, выстилающих костную ткань, – 180 и для легких – 150 мрад.

2.3.2. Гигиеническая характеристика
атомной энергетики

На начало 1986 года в 26 странах мира в эксплуатации находилось 350 энергетических реакторов суммарной мощностью более 250 млн. кВт, а по данным МАГАТЭ (1983 г.) в 2000 году мощность атомных электростанции будет составлять 720-950 ГВт. В недалеком будущем наука овладеет управляемой термоядерной реакцией и человечество получит неисчерпаемый источник энергии.

Атомная энергетика включает в себя урановые рудники, металлургические предприятия по получению обогащенного ядерного топлива, заводы по очистке урановых концентратов
и изготовлению ТВЭЛ-ов (тепловыделяющих элементов), предприятия по утилизации ядерных отходов.

На протяжении всей этой технологической цепочки образуются твердые, жидкие, газообразные отходы.

По состоянию на 2002 год, в России эксплуатируется
29 ядерных энергоблоков общей установленной мощностью 21,2 Гвт, в т. ч.:

водо-водяные (ВВЭР) – 13;

канальные (РБКМ-1) – 11;

водо-графитовые (ЭГП) – 4;

на быстрых нейтронах (БН-60) – 1.

В современный период достраиваются 5 энергоблоков:

водо-водяные (ВВЭР) – 4 (Ростовская, Калининская, Балаковская АЭС);

канальные (РБКМ-1) – 1 (Курская АЭС).

На Чернобыльской АЭС эксплуатировался водно-графитовый канальный реактор на тепловых нейтронах, топливом служил диоксид урана-235, замедлителем нейтронов – графит, теплоносителем – кипящая вода. Масса ядерного топлива составила 114,7 кг. На четвертом блоке АЭС произошла авария с разрушением активной зоны реакторной зоны и части здания вследствие внезапного повышения мощности произошло повышение температуры активной зоны, сопровождающаяся выбросом разогретых до высокой температуры фрагментов активной зоны, состоящей из расплавленного ядерного топлива, графита, теплоносителя. Суммарный выброс продуктов ядерного деления (ПЯД) составил 1850 ПБк или 50 МКи – 3,5 % от общего количества радионуклидов в реакторе на момент аварии.

Радионуклидный состав выброса формировался за счет газообразных и аэрозольных продуктов ядерного распада – 133Xe, 85Kr, 131I, 134Cs, 137Cs, 89Sr, 90Sr, 238Pu, 239Np и других элементов.

Особо опасных радионуклидов в радиологическом плане выпало: 131I – 7,3 МКи (20 %), 137Cs – 1 МКи (13 %), 90Sr – 0,22 МКи (4 %) от суммарного количества по состоянию на
06.05.1986 г.

Основные зоны загрязнения местности сформировались в западном, северо-западном, северо-восточном направлениях от АЭС, в меньшем масштабе – в южном направлении в первые
4-5 суток.

Наибольший уровень радиации наблюдался в первые сутки после аварии в северном направлении, где уровни радиации достигали мР/ч на удалении 5-10 км от места аварии.

В последующий период массовые изотопные анализы показали, что состав радиоактивного загрязнения заметно обогащен долгоживущими изотопами 134Cs и 137Cs, плотность загрязнения которыми колебалась от 20 до 80 Ки/км2. Плотность загрязнения плутонием достигала 0,1-1 Ки/км2, а в непосредственной близости от промышленной площадки – до 10 Ки/км2. Была установлена 30-километровая зона отселения населения и были эвакуированы более 300 тысяч человек, полностью непригодной для жизни и хозяйственной деятельности признана территория в 500 км2.

Таблица 6

Характеристика наиболее значимых радионуклидов
глобальных выпадений

Нуклид	Период полураспада	Основной вид облучен.	Критический орган	Т биол. сутки	Резорбция из ЖКТ	Е эфф. МэВ/рас.
3H	12,34 года	Внутрен.	Все тело	12	100	0,01
14С	5730 лет	>>	Жировая ткань	10	100	0,054
89Sr	51 сут.	>>	Кость	1,8´104	9	0,56
90Sr	28,8 года	>>	>>	1,8´105	9	1,13
131I	8,06 сут.	Внешнее и внутр.	Щитов. железа	10,4	100
137Cs	30 лет	>>	Все тело	70	100	0,59
239Pu	2,44´104	Внутрен.	Кость	7,3´104	2,410-3	270

Следует отметить, что за счет искусственных (техногенных) источников ионизирующей радиации формируется около 10 % годовой эффективной эквивалентной дозы, в т. ч. рентгеновские и другие диагностические приборы и средства занимали на протяжении годов до 7 %, доза от ядерных взрывов достигала 7 % в начале 60-х годов, снижалась до 0,8 % в 1980 году; а дозы облучения, связанные с ядерной энергетикой, увеличились от 0,001 % до 0,035 % в 1980 году.

Таблица 7

Среднегодовые индивидуальные эффективные эквивалентные
дозы облучения населения за счет всех основных источников
ионизирующего излучения в гг.

Источники ионизирующего излучения	Вид излучения	В мбэр
Естественный радиационный фон	внешнее внутреннее суммарно	65 160 225
Технологически изм. РФ: РВ, содержащиеся в стройматериалах и воздухе помещений РВ, содержащиеся в минеральных удобрениях	внешнее внутренне суммарно суммарно	10 130 140 0,015
Искусственный РФ: атомные электростанции выпадения вследствие испытаний ядерного оружия	суммарно внешнее внутреннее суммарно	0,017 1 1,5 2,5
Рентгено - и радиоизотопная диагностика	суммарно	140
Суммарная доза облучения от всех источников		505

2.4. Общие закономерности перемещения
радиоактивных веществ в биосфере

Радиоактивные продукты ядерного деления выпадают сами по себе и с атмосферными осадками. Радиоактивные отходы включаются в компоненты биосферы – абиотические (почва, вода, воздух) и биотические (флора и фауна) – и принимают участие в биологическом цикле круговорота веществ. Продукты деления могут попадать в организм человека через растительную пищу и через животных, питающихся растениями, содержащими радиоактивные вещества.

Из радиоактивных продуктов деления наибольшую опасность представляют в первый месяц загрязнения, состоящие из изотопов йода ввиду большого процента их выхода и высокой биологической активности, а в последующем – 90Sr и 137Cs вследствие их относительно высокой энергии излучения, большого периода полураспада и исключительной способности включаться в биологический круговорот веществ по цепочке почва–растения–животные–человек, а также надолго задерживаться в организме человека и животных, т. к. для 90Sr его постоянным неизотопным носителем является кальций, содержащийся в больших количествах в кормах, а для 137Cs – калий, содержащийся также в больших количествах в кормах, и интенсивно участвующий в обмене веществ. Таким образом, эти радионуклиды ведут себя в организме точно так же, как макроэлементы Ca и K.

Подводя итоги, можно сказать, что все живое на Земле подвергается непрерывному воздействию природного радиационного фона, уровень естественной радиации варьирует в широких пределах и в некоторых районах в десятки-сотни раз превышает средние значения. Дополнительное облучение от радионуклидов, выпавших после испытаний ядерного оружия, не превышает 10 % природного радиационного фона. Загрязнение внешней среды радионуклидами при работе ядерных реакторов невелико, но может стать весьма значительным при авариях.

Раздел 3

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

3.1. Общие вопросы биологического действия
ионизирующей радиации

Ионизирующее излучение – одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм неэквивалентны величине поглощаемой энергии. Действительно, летальная доза для млекопитающих составляет 10 Гр (1000 рад), поглощаемая при этом тканями и органами энергия могла бы повысить их температуру на тысячные доли градуса. Само по себе такое повышение температуры не могло бы вызвать выраженного эффекта поражения. В связи с этим основным радиобиологическим парадоксом выдвигается гипотеза о возможности существования цепных автокаталитических процессов, усиливающих первичное воздействие.

В механизме биологического действия ИИ на живые объекты условно выделяют два этапа:

1 этап – первичное непосредственное действие ИИ на клетки, ткани, органы, организмы. Это этап физико-химических воздействий ИИ, характеризуется образованием ионизированных и возбужденных атомов и молекул, которые в течение 10-6 с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, инициируют образование разрывов связей в молекулах и вызывают реакции образования химически активных веществ (свободных радикалов, ионов) с различными биологическими структурами, при которых отмечается как их деструкция, так и образование новых, не свойственных для облучаемого организма соединений – радиотоксинов различного происхождения.

2 этап – опосредованное действие, обусловленное нейро-гуморальными сдвигами в биологических организмах.

3.1.1. Первичные физико-химические процессы
при действии ИИ

При облучении биологических объектов 50 % поглощенной энергии в клетке приходится на воду, а другие 50 % – на органеллы клетки и растворенные вещества.

При взаимодействии ИИ с водой происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием молекулярных ионов:

H2O ® H2O+ + e-1

H2O + e-1 ® H2O-

Возникающие ионы воды, в свою очередь, распадаются с образованием ряда радикалов, которые также взаимодействуют между собой:

H2O+ ® H+ + OH*

H2O- ®H++OH*

H+ + OH - ® H2O

OH- + OH - ® H2O2

H2O2 + OН ® H2O + HO2

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как H, OH, HO2 (гидропероксид).

Гидропероксид обладает высокой окислительной способностью, выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода в тканях в состоянии гипоксии (кислородный эффект).

Возникающие в результате радиолиза воды гидратированные электроны и атомарный водород также обладают высокой реакционной способностью в качестве восстановителей.

Возникшие в результате радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений, давая начало вторично-радикальным продуктам. Дальнейшие этапы развития радиационного поражения молекулярных структур и радиочувствительных надмолекулярных структур сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов, в результате чего образуются уже органические радикалы.

Облучение белковых молекул приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеродных связей. При облучении целостного организма в первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот в тканях: понижается уровень метионина на 75 %, триптофана – на 26 % (при воздействии дозой 5 Гр). Эти изменения оказывают большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому изменению биосинтеза белков. Отмечается уменьшение содержания сульфгидрильных групп в тканях облученных животных, оно достигает более 50 % по отношению
к исходному уровню на 5 сутки.

Ферментные системы по-разному реагируют на облучение: активность одних ферментов возрастает, других – понижается, третьих – остается неизменной, наблюдается стимуляция ферментативных систем, деполяризирующих ДНК, РНК и нарушение их синтеза. Имеет место высвобождение нуклеиновой кислоты из ДНП (дезоксинуклеопротеида) и одновременное накопление нуклеиновых кислот в цитоплазме облученных клеток с поражением связи белок–белок, белок–ДНК.

К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфолирование, нарушение этого процесса отмечается уже через несколько минут после облучения дозой 1 Гр и проявляется в повреждении системы генерирования АТФ, без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.

Облучение простых сахаров приводит к их окислению и распаду, в результате чего образуются органические кислоты
и формальдегид. Облучение растворов полисахаридов (крахмала) сопровождается понижением их вязкости, появлением простых сахаров – глюкозы, мальтозы и др.

При дозах порядка 5-10 Гр выявляются изменения в мукополисахаридах, при облучении гепарина происходит его деполяризация, потеря антикоагулянтных свойств. При облучении целостного организма происходит понижение содержания гликогена в мышцах, печени и ряде других тканей, отмечается
нарушение процессов распада глюкозы и в первую очередь – анаэробного гликолиза.

При действии на липиды происходит образование перекисей, которым придают особо важное значение в развитии лучевого поражения. Схема реакции в этом случае может быть представлена так:

ROOH ® R*;

ROOH ® ROO* ® начальное образование радикалов;

R*+ O2 ® RO*2;

ROO* + RH ® ROOH + R* ® цепные реакции.

При облучении организма отмечаются снижение содержания липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови.

Упрощенная схема первичных физико-химических процессов может быть представлена схематически следующим образом:

3.1.2. Действие ионизирующих излучений на клетку

Клетка – слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые объединены в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции.

Наиболее радиочувствительными к облучению органеллами клеток млекопитающих являются ядро и митохондрии, повреждения этих образований происходят уже при малых дозах
и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатических клеток дозой 0,5 Гр и более наблюдаются угнетение процессов окислительного фосфолирования
и изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, происходят количественные и качественные изменения ДНК, разобщается процесс синтеза ДНК–РНК–белок. Морфологические изменения в митохондриях проявляются в форме набухания их, деструкции крист и просветления матрикса.

В ядрах радиочувствительных клеток угнетаются энергетические процессы, происходит выброс в цитоплазму ионов
натрия и калия, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, хромосомные аберрации, точковые мутации, в результате которых образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность.

Астаурова по пересадке ядра клеток показали, что главную ответственность в гибели клеток несет ядро. Он показал, что облучение самок тутового шелкопряда в дозе 50 кР вызывает разрушение яйцеклетки, при спаривании с необлученным самцом самка откладывает яйцеклетки с разрушенным ядром, место которых занимает ядро спермия, при слиянии ядер двух спермиев развивается особь мужского пола.

Эффект воздействия ИИ на клетки – результат комплексного воздействия взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов. По , радиационные поражения клетки осуществляются в три этапа.

На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные структуры, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе 10 Гр в клетке образуется до 3´106 ионизированных и возбужденных молекул. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в SH-группах белков, хромофорных группах ДНК, ненасыщенных липидов.

Второй этап – химические преобразования. Они соответствуют процессам взаимодействия свободных радикалов с белками, липидами, нуклеиновыми кислотами и возникновению органических перекисей, которые приводят к появлению множества измененных молекул.

Третий этап – этап биохимических изменений, сопровождается высвобождением ферментов из органелл клетки вследствие повреждения их мембран органическими перекисями. Из лизосомальных образований высвобождаются гидролитические ферменты, из митохондрий и ядер – ДНКазы, РНКазы, катепсины, фосфатазы и др. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе белков и нуклеиновых кислот. Таким образом, действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным из-за физического, химического
и биохимического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью.

В целом радиочувствительность клеток зависит от количества этих структур: диплоидные клетки более устойчивы или радиорезистентны, чем гаплоидные клетки (половые), уменьшение числа митохондрий повышает удельный вес поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает. Радиочувствительность также возрастает у клеток, для которых характерны интенсивно протекающие биохимические процессы – делящиеся, дифференцирующиеся и созревающие клетки красного костного мозга, половые клетки, клетки кишечного эпителия и роговицы глаза (в состоянии митоза), и снижается у клеток, пребывающих в стационарной фазе (профаза и пресинтетическая фаза клеточного цикла).

Следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения также является результатом последующих процессов репарации или восстановления, так как значительная часть первичных повреждений возникает в виде потенциальных (возможных) повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов и наоборот.

Таковы современные взгляды на механизм развития поражения на клеточном уровне, возникающие при радиационном воздействии на биологические объекты.

По степени проявления морфологических изменений, т. е. по степени возрастания радиочувствительности, клетки и ткани млекопитающих можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткань, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань и костный мозг.

3.1.2.1. Генетическое воздействие
ионизирующих излучений

Мутагенное воздействие ИИ впервые установили отечественные ученые и в 1925 году в опытах на дрожжах. В 1927 году это открытие было подтверждено Г. Меллером на классическом генетическом объекте – дрозофиле. ИИ способны вызывать все виды наследственных изменений – генные, хромосомные, геномные. Эти изменения носят дозозависимый характер, и современными представлениями считается, что любая дополнительная выше ПРФ доза ИИ, независимо от величины и мощности, приводит к опасности кумулятивного генетического эффекта и способна вызвать генетические изменения, поскольку биологическая репарация мутации невозможна (Дж. Коглл, 1986).

Исходы поражения зародышевых и соматических клеток при воздействии ионизирующей радиации различны. Когда поражаются зародышевые клетки, возникающие мутации (генные и хромосомные) с той или иной скоростью, зависящей от степени доминантности и от степени снижения жизнеспособности, элиминируются (выводятся) из популяции. Но многие мутации, в особенности реценсивные, благодаря генетическому дрейфу и эффекту родоначальника, могут размножаться в популяции
и приводить к увеличению числа случаев врожденных уродств, аномалий обмена веществ и т. д.

Мутационные изменения в соматических клетках могут выражаться в гибели клеток или в приобретении клеткой новых наследственных свойств, которые проявляются процессами малигнизации, преждевременного старения клеток и тканей, развитием новообразований.

Таким образом, прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на биологические молекулы приводит к тому, что в живом организме отмечается много разных биологических эффектов, наблюдаемых после облучения, которые представлены в таблице 8.

Таблица 8

Типы радиологических повреждений

Тип биологической организации	Важнейшие радиационные эффекты
Молекулярный	Повреждение макромолекул – ферментов, РНК, ДНК, воздействие на обменные процессы
Субклеточный	Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом митохондрий и лизосом, высвобождение их ферментов
Клеточный	Нарушения деления клеток, их гибель и трансформация, в т. ч. злокачественная
Ткани, органы	Нарушения в красном костном мозге, желудочно-кишечном тракте, центральной нервной системе могут привести к радиационным повреждениям и гибели, отдаленным последствиям
Организм	Различные виды радиационных последствий, вплоть до летального исхода
Популяции	Изменение генетических характеристик вследствие генных, хромосомных мутаций у индивидуумов

3.2. Биологическое действие ионизирующей радиации
на сельскохозяйственных животных

3.2.1. Виды и формы радиационного поражения
сельскохозяйственных животных

Если в общей радиобиологии под понятием радиобиологический эффект понимают широкий круг явлений, то применительно к сельскохозяйственным животным действие ионизирующей радиации оценивается по следующим критериям: гибель животных, продолжительность жизни после облучения летальными дозами, продуктивность животных, воспроизводительная способность.