Сельскохозяйственная радиология

Вариант 9

1. Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почвах, кормах, органах и тканях животных,
2. Радиологический контроль объектов ветеринарного надзора,
3. Закономерности метаболизма радионуклидов в организме животных.

1) Среди многообразия форм состояния радионуклидов в почве выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочносвязанную необменную. Среди этих форм наибольшую роль играют первые две, поскольку они способны усваиваться растениями и мигрировать по биологической цепочке. Биологическая подвижность радионуклидов зависит от их физико-химических свойств, от свойств самой почвы (ее тип, минеральный состав, кислотность, содержание органических веществ, увлажненность, и т.д.).

Наибольшей  доступностью для растений обладает стронций, Cs, Се. Большое влияние на доступность радионуклидов для растений оказывает наличие в почве обменных катионов и кислотность. Чем больше в ней катионов, тем меньше биологическая подвижность радионуклидов, и наоборот. Закисление почв приводит к увеличению доступности радионуклидов для растений. С течением времени обменно-связанные радионуклиды могут превращаться в слаборастворимые соединения – фосфаты и карбонаты, в результате чего их миграционная способность может снизиться.

В почве Sr связывается в основном за счет ионного обмена и сильно зависит от присутствия катионов Al, Fe, Ba, Ca, Mg. При увеличении в почве концентрации анионов фосфорной, серной и угольной кислот сорбция стронция возрастает в результате образования труднорастворимых соединений с этими анионами. Глинистыми минералами почв может быть сорбировано до 99 % Sr. Органические вещества также оказывают существенное влияние на поведение этого нуклида, в частности он хорошо связывается с сульфокислотами почв, что также снижает его способность к биологической миграции.

Попав в почву, радионуклиды способны мигрировать  в горизонтальном и вертикальном направлениях. При загрязнении цезием дерново-подзолистых песчаных почв около 40% его находилось в верхнем 4-сантиметровом слое. Остальные 60% равномерно распределялись глубже по профилю. Большая подвижность радиоактивного цезия определяется тем, что это изотоп щелочного элемента – химического аналога важнейшего биогенного элемента калия, который в природных системах служит носителем изотопов цезия. В почвах, обогащенных органическими веществами (почвы естественных низинных болотных экосистем), цезий способен проникать на большую глубину (70-90 см). Микроорганизмы почвы снижают подвижность радионуклидов в биологическом круговороте. Они могут связывать до 60% Cs и этим препятствовать его дальнейшей миграции по пищевой цепочке.

Попавшие  в растения радионуклиды концентрируются  в корнях, в надземной части  растений, преимущественно в стеблях, листьях, семенах и т.д. Состояние  и обмен радионуклидов в органах  и тканях животных зависят от многих причин, в том числе и от их физико-химических свойств, среди которых  важная роль принадлежит их способности  к комплексообразованию. Такие элементы, как стронций и кальций, не обладают сильно выраженной комплексообразующей способностью. В крови они связаны с белками. Кальция, связанного в крови белками, примерно в 2 раза больше, чем стронция. Изотопы редкоземельных элементов Y и Се обладают выраженной способностью к комплексообразованию и связыванию белками. Так 96 % полония, содержащегося в эритроцитах, связано с гемоглобином. Чем выше способность радионуклидов образовывать комплексы с белками, тем меньшая доля элементов переходит из организма матери через плацентарный барьер в организм плода. Изменение температуры не оказывает существенного влияния на связь Ca, Sr, Ba и Ra, а увеличение рН значительно сдвигает равновесное состояние в сторону упрочнения связи. Быстрый выход из крови редкоземельных элементов объясняется, по-видимому, тем, что их простые соли в крови находятся в виде коллоидных частиц или белковых комплексов, которые быстро захватываются ретикулоэндотелиальными клетками.

Железо относится  к наиболее важным микроэлементам, обладающим каталитическими функциями. Транспорт железа в животном организме осуществляется путем соединения его со специальным белком – трансферином, являющимся бета-глобулином. Каждая молекула трансферина способна связать два иона Fe, определяя общую железосвязывающую способность сыворотки крови. Способность белков сыворотки крови и тканей связывать радионуклиды образует следующий специфический ряд: Na = Cs = K < Sr < Са < Y = Се. Иттрий и церий в отличие от стронция связываются главным образом органическим матриксом кости, а не минеральной фракцией. Введенный в организм Се быстро проникает в костную ткань, и свыше 90% его откладывается в коллагеновых волокнах кости, Y, Ce и Tu связываются в костной ткани в основном минеральной фракцией. Опыты по изучению поведения в печени Ru показали, что уже через 3 ч после введения радионуклида он практически полностью связывается белком. Через сутки после поступления Ru в организм он образует связи белками всех фракций. Сравнительные исследования взаимодействия плутония (Ри), америция (Am) и кюрия (Cm) с белками сыворотки различных млекопитающих и другими тканевыми структурными компонентами. В клетках печени, семенников, надпочечников все три элемента связываются с лизосомными структурами. Ри способен прочно связываться с белками костной ткани вблизи клеток на эндостальной поверхности, что может быть одним из факторов. В первые 6-12 ч после затравки животным Ри очень быстро концентрируется в печени, интенсивно связываясь с ферритином (около 63%). В целом в белки и нуклеиновые кислоты включается 92% общего количества плутония, концентрирующегося в печени, образуя с ними довольно устойчивые комплексы.

 Цезий  в костной ткани локализуется  на поверхности кристаллов, не  включаясь в кристаллическую  решетку, поэтому процесс варки  костной ткани в составе мяса  рыбы и животных способствует  переходу (до 70-80%) радионуклида в бульон. Следовательно, в случае загрязнения мяса животных и рыб Се можно существенно снизить поступление радионуклида в рацион человека, удаляя бульон.

При оценке физико-химического состояния стронция в молоке коров оказалось, что  он подобно кальцию на 70-80% связан с казеином, и около 20% его представлено в виде фильтрующейся формы. Причем стронций связан с казеином молока прочнее, чем кальций. В крови характер связи этих ионов имеет противоположную направленность.

Радиоактивные вещества, попадая из атмосферы на земную поверхность, могут поступать в растения, оседая на их надземных частях. Одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития. Загрязнение рек, озер и других водоемов происходит в результате оседания радионуклидов на их поверхности и путем смыва их дождевыми осадками, паводковыми и другими водами. Естественный травостой и сеяные многолетние травы удерживают 20-40% выпавших нуклидов. На пашне сразу после выпадения более 97% радиоактивных веществ сосредоточивается в верхнем двухсантиметровом слое. В дальнейшем происходит постепенная миграция радионуклидов в глубь почвы.

Через листья в растения проникает от 20 до 60% ¹³⁷Cs. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в значительно больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие. В зависимости от погодно-климатических условий время потерь радионуклидов растениями изменяется. Период полупотерь фракции радионуклидов стронция разными сельскохозяйственными культурами составляет от 2 до 28 сут. Сведения о скорости полуочищения поверхностно загрязненных кормовых растений от радионуклидов имеют прикладное значение для составления прогноза уровня радиоактивного загрязнения растений и принятия мер снижения поступления радионуклидов в кормовые культуры. Сведения о количестве и длительности пребывания радионуклидов на стеблях имеют важное значение для определения рациональных сроков и технологии уборки урожая.

Загрязнение растений радиоактивной пылью происходит при поднятии ее с поверхности земли ветром, пасущимися животными, при разбрызгивании каплями дождя и обработке или уборке урожая сельскохозяйственными машинами. При некорневом загрязнении растительности переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как правило, выше, чем при корневом поступлении. Для оценки перехода радионуклидов из выпадений в кормовые культуры, организм сельскохозяйственных животных, в получаемую продукцию применяют коэффициенты пропорциональности. Эти коэффициенты характеризуют взаимосвязь концентрации радионуклидов в кормах или продуктах животного происхождения с уровнем выпадения их из атмосферы. При глобальных выпадениях наиболее высокие концентрации радионуклидов обнаруживаются в продукции растениеводства меньшие – в продукции животноводства. Концентрация Sr и Cs в кормах превосходит концентрацию в молоке соответственно в 100 и 30 раз, в мясе – в 50 и 10 раз. Наибольшей подвижностью в цепи «воздух – растение – животные – продукция животноводства» обладают ⁹⁰Sr,¹³¹I и ¹³⁷Cs, менее подвижны ¹⁰⁶Ru, ¹⁴⁴Се.

Скорость  и размеры корневого усвоения радионуклидов растениями определяются растворимостью радиоактивных веществ, и физиологическими особенностями растений. Накопление радионуклидов сильно зависит от типа почв: хуже они всасываются из сероземов и черноземов, а лучше всего из торфоболотных и легких почв (песчаные и подзолистые). При некорневом пути поступления более подвижным является Cs. Поступление'"Sr и других радионуклидов происходит при этом в десятки раз медленнее. При корневом поступлении наиболее подвижным является '"Sr. Cs сильнее сорбируется почвой и поэтому в относительно меньших количествах переходит из почвы в растения. По корневому пути из почвы во все последующие годы после выпадения радионуклидов происходит загрязнение грибов, ягод, дикорастущих плодов, лекарственных и кормовых растений.

У травянистых  видов идет значительное накопление изотопов цезия и стронция. Растения естественных кормовых угодий всегда характеризуются более высокой  удельной радиоактивностью, чем сеяные травы и различные сельскохозяйственные культуры. Объясняется это тем, что радионуклиды в почвах естественных кормовых угодий сосредоточены в основном в слое до 5 см, создавая там высокую концентрацию радиоактивных изотопов в единице объема почвы. При перепашке почвы концентрация радионуклидов снижается и создаются условия для их меньшей усвояемости растениями. Это подсказывает путь улучшения естественных кормовых угодий в условиях радиационного загрязнения. За счет корневого поступления в основном происходит накопление радионуклидов и в древесине. Так, через 6 лет после чернобыльских выпадений содержание радионуклидов в древесине возросло в 5-15раз. По способности к накоплению растениями радионуклиды образуют ряд: Zn > Sr, Cs, Fe > Се, Ru, Zr > Pu, Pm, Y, U.

По интенсивности  поступления из водных растворов  в растения пшеницы радионуклиды располагаются в следующем порядке: Cs > Sr > Се > Ru > Zr. Переход радионуклидов из почвы в растения во многом определяется их видовыми и сортовыми особенностями (строение корневой системы, характер метаболизма). Наибольшей способностью накапливать Cs отличаются травостои естественных пастбищ и сенокосов. Поглощение радионуклидов растениями из почвы зависит также от ее состава. Почвы тяжелого гранулометрического состава отличаются большей поглотительной способностью, чем легкие. Поступление Cs в растения из торфянистых почв больше, чем из минеральных, в несколько раз. Данный факт может иметь определенное значение при оценке загрязнения естественных и культурных сенокосов и пастбищ в целях разработки мероприятий по дезактивации и рационального их использования. В период массированных глобальных радиоактивных выпадений (1963...1964 гг.) было отмечено, что уровень загрязнения растений в северных районах существенно выше, чем в южных.

Перенос питательных  веществ между трофическими уровнями называют пищевой цепью. Механизмы, с помощью которых растения и животные получают необходимые для их роста неорганические вещества из почвы, аналогичны тем механизмам, посредством которых радионуклиды поступают в биологические системы. Таким образом, естественные и искусственные радионуклиды стабильных химических элементов также циркулируют в биосфере по характерным биологическим цепям, проникая из внешней среды в организмы, а затем снова возвращаясь во внешнюю среду.

При пастбищном содержании и кормлении коров  поступление изотопов в молоко происходит наиболее интенсивно, особенно в условиях внешнего загрязнения растений. При  среднем уровне травостоя корова в сутки потребляет корм со 160 м² пастбища. В таких условиях максимальная концентрация I в молоке наблюдается на 5-е сутки после выпадения. Прогнозируемое поступление радионуклидов в корма, молоко и мясо можно определить по формуле: C=KvFv где С – содержание i-го радионуклида в кормах или продуктах животноводства, Бк/кг; Кv – воздушный коэффициент пропорциональности при выпадении за месяц, (Бк/кг)/(Бк/м²); Fv – интенсивность выпадения за месяц i-го радионуклида, Бк/м². Так как содержание радионуклидов в продукции животноводства находится в прямой зависимости от содержания их в растениях и почвах, то для составления прогноза вероятного поступления радионуклидов в рационы животных необходимо располагать количественными характеристиками, связывающими концентрацию радионуклидов в почвах, кормах и продукции животноводства. Эта связь осуществляется с помощью коэффициента перехода, под которым понимают отношение содержания радионуклида в каждом последующем звене пищевой цепочки к предыдущему. По отношению к дерново-подзолистым и торфяно-песчаным почвам коэффициент перехода Cs из дерново-торфяно-иловато-болотных почв в 3,5, из суглинистых, торфяно-болотных почв в 48, а из темно-серых почв в 64 раза меньше. При хроническом поступлении с кормом Sr в 1 л молока его переходит до 0,2% по отношению к поступлению с рационом. При этих условиях в молоко коров переходит 0,25-1% Cs. На эти показатели большое влияние оказывают тип кормления коров, состав корма, продуктивность животных и т. д. Усвояемость организмом радиоактивного цезия из смешанного рациона выше, чем из сенного, вследствие разной степени его доступности. При одинаковом содержании Sr и Cs в почве концентрация стронция в траве получается примерно в 10 раз выше, чем цезия. Содержание щелочных и щелочноземельных радионуклидов в мышечной и костной тканях выше, чем в получаемом от этих животных молоке.

При попадании  с кормом курам-несушкам ¹³¹I основное количество его концентрируется в желтке, в котором оно в 20-50 раз больше, чем в белке. При поступлении курам-несушкам Cs распределение радионуклида по компонентам яйца также неравномерно. Концентрация Cs в белке превышает концентрацию в желтке в 2-3 раза, а в скорлупе содержится лишь 1...2 % общего количества радионуклида в яйце. Переход радиоактивных продуктов из корма в компоненты яйца и в яйцо не зависит от сезона года.