Файл: Лекция 1 Естественный радиационный фон Земли Антропогенный радиационный фон Ионизирующее излучение.ppt

Питьевая вода	0.1-0.3
Хлеб	30-70
Картофель (клубни)	100-150
Фрукты	50-100
Овощи	40-240
Бобовые культуры	До 370
Мясо	80-120
Рыба	90-110
Молоко	35-45

Содержание К-40 в пищевых продуктах, Бк/кг


1 г К-40 испускает в секунду
26,2 бета-частиц с максимальной энергией 1,3 МэВ и 3,4 гамма-кванта


В рационе человека в сутки содержится
До 4,5 г К-40


Распад атомов К-40:
88% - (бета, гамма) --> Са-40
12% - (К-захват) --> аргон-40


Хорошо мигрирует по пищевым цепям

Поведение К-40 в организме человека

Биологическая функция К – обеспечение функционирования мембран клеток, внутриклеточного давления, передача нервного импульса и пр.
Диффузно распределен внутри клеток
Накопители К-40 в организме человека: Эритроциты>нервная ткань (головной мозг)> мышцы> печень> легкие> кости
К-40 быстро выводится из организма (в три раза медленнее, чем вода). За 58 суток выводится половина К-40.


Миграция калия-40:


почва


растения


животные


человек

Космическое излучение

Поток солнечных и галактических (93%) частиц высоких энергий: протонов и протонно-нейтронных обломков ядер с атомными номерами 3-5, 10-19, 20
Галактические частицы – в основном протоны с энергией 100-1014 МэВ
Энергия солнечных частиц – 20 МэВ
Защита: 1) магнитное поле Земли – отклонение протонов, 2) озоновый слой (20 км над у.м.) – космическое излучение, за исключением нейтрино, преобразуется в фотонное
Защита ослабевает по направлению от экватора к полюсам
Нейтрино – слабо взаимодействующие частицы, почти без массы – могут образовываться в ядерных реакциях. Не наносят вреда живым организмам на земле. Каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6×1010 нейтрино, испущенных Солнцем. http://hypertextbook.com/physics/modern/radiobiology/
см.таблицу вклада естественных источников в дозу человека в Пивоваров, Михалев, 2004, с 14-15

Радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы (космогенные) под воздействием потока нейтронов космического происхождения на ядра стабильных атомов (см предыдущую лекцию)

---

n + 14N  3H+12C
n + 14N  p +14C
Наибольший вклад в дозу человека вносят изотопы:
3H, 7Be, 14C, 22Na

Тритий (3Н)

сверхтяжелый радиоактивный изотоп водорода включается в те же биологические звенья, что и водород,
Т ½ = 12,35 года, бета –излучатель,
Общее количество в биосфере (93-185)*1016 Бк, из них 65% в океане,
В продуктах питания – 14-26 Бк/кг в организме распределяется равномерно

Углерод -14 (14С) (всего существует 5 радиоактивных и два стабильных изотопа С)

Т ½ = 5730 лет, бета –излучатель,
Расчетное суммарное количество в биосфере 8,5*1018 Бк, из них 1,6% - в атмосфере; 4% - в почвах; 2,2% в верхних слоях океана, 92% - в глубинных.
В организм поступает с пищей и водой (99%)
Биогенный элемент
Сродство к жировым тканям равномерно распределяется в организме получается при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы (см.предыдущую лекцию)

Антропогенный радиационный фон

Пути формирования:
Искусственная концентрация и перераспределение естественных радионуклидов
Загрязнение окружающей среды радиоактивными изотопами ядерно-энергетического происхождения
Производство и использование искусственных радионуклидов и источников ионизирующих излучений в науке, медицине, промышленности

Искусственная концентрация и перераспределение естественных радионуклидов

Добыча и сжигание топлив, переработка руд, производство строительных материалов.
Сжигание многозольного угля приводит к концентрации и выбросу в атмосферу К-40, U-238, Th-232 (ежегодное увеличение фона на 0,02%)
Сжигание жидких углеводородных топлив (в двигателях внутреннего сгорания) приводит к выбросу и включению в состав аэрозолей воздуха С-14 и К-40
Состав шлаков и аэрозолей, образованных в результате металлургического производства сходен с составом сжигаемых топлив

Применение фосфатных удобрений

В фосфорных удобрениях содержатся :
U-238 до 2,34 Бк/кг (40,3%)
Ra-226 – до 0,85 Бк/кг
Pb – 210 – до 0,39 Бк/кг
Ро-210 – до 0,92 Бк/кг
Th-232 – до 0,052 Бк/кг
К-40 – до 1,22 Бк/кг (21%)

Радионуклиды ядерно-энергетического происхождения

1.Испытания ядерного оружия ( в основном в Северном полушарии планеты)
С 1945 по 1991 г общее число взрывов на планете – 2059
Из них 508 в атмосфере
США – 1085 наземных и 205 в атмосфере
СССР – 715 и 215
Франция – 137 и 45
Великобритания – 21 и 21
Китай – 13 и 22
Последствия –
рассеивание радиоактивных осадков

---

Рис. Рассеивание радионуклидов в Северном полушарии планеты


Распределение мирных ядерных взрывов на территории СССР. (см. Старков, Мигунов, 2003)


Всего на планете 500 АЭС, из них 163 в странах Западной Европы, 121 - в США, 45 - в России вырабатывают электроэнергии (данные на 2001 год):
17% в мире
30% в Западной Европе более 50% в Литве, Франции, Бельгии, Словакии.
При работе ядерных реакторов образуются более 40 новых для биосферы элементов Периодической системы (техногенных).
Выбросы: газо-аэрозольные, жидкие и твердые, требующие захоронения – проблема не решена
При безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступает радиоактивный газ криптон (Kr-85), небольшое количество I-131, трития и некоторых других радионуклидов.
Состав радиоактивных загрязнений (основной):
Cs-137 (30 лет); Sr-90 (27,7 лет); Pu-239, 240 (8,9*106 лет)
Накапливаются в экосистемах


2. Ядерные реакторы энергетического назначения (АЭС)

Цезий-137

Cs-137 - техногенный радионуклид, гамма- и бета-излучатель
Т1/2=33 года
Стабильный изотоп Cs-133, содержание незначительно;
Образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах , при ядерных взрывах
По химическим свойствам близок к калию
В живых организмах полностью включается в метаболизм, конкурируя с калием ??
Скорость миграции в организме в 25 раз меньше, чем у К
Накапливается в мягких тканях и селезенке, легко выводится из организма

Стронций-90

Sr-90 - техногенный радионуклид, бета-излучатель, содержание стабильного изотопа незначительно;
Т1/2=28 лет
Образуется при делении ядер урана, плутония в ядерных реакторах , при ядерных взрывах
Естественный химический аналог - Са - ??
В живых организмах может замещать кальций,
Накапливается в костной ткани, выводится из организма плохо
В природе присутствует в тех же звеньях, что и Cs-137

Плутоний – 239 Всего известно 15 изотопов плутония, все радиоактивны.

Т1/2=24 000 лет
Pu-239 – альфа-, гамма – излучатель
Техногенный элемент, получают в ядерных реакторах
Характер миграции в природной среде мало исследован
Ядерное топливо
Накопление в организме сходно с накоплением тория в природе (в урановых рудах) существует естественный радиоизотоп плутоний-244, Т1/2=7.5*107

Токсичность плутония

 Плутоний химически токсичен, как и любой тяжелый металл, этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиационной токсичностью.

---

Токсические свойства плутония появляются как следствие альфа-радиоактивности. Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред. Альфа-частицы повреждают только ткани, содержащие плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с ним.
Источник: http://www.nuclear-weapons.nm.ru/theory/plutonium.htm

Токсичность плутония

Значимы два типа действия: острое и хроническое отравления. Если уровень облучения достаточно высок, ткани могут страдать острым отравлением, токсическое действие проявляется быстро. Если уровень низок, создается накопляющийся канцерогенный эффект.
 Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли, впоследствии она все равно связывается содержимым желудка и кишечника.
Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к осаждению из водных растворов и к формированию нерастворимых комплексов с остальными веществами, имеет тенденцию к самоочищению.
Источник: http://www.nuclear-weapons.nm.ru/theory/plutonium.htm

Токсичность актиноидов для бактерий (2005)

Ruggiero CE, Boukhalfa H, Forsythe JH, Lack JG, Hersman LE, Neu MP. Actinide and metal toxicity to prospective bioremediation bacteria. Environ Microbiol. 2005 Jan;7(1):88-97. Links
Вывод: токсичность актиноидов является главным образом химической, а не радиологической. Плутоний менее токсичен, чем уран.

Нептуний – Np-212-235, америций – Am-237-242, кюрий – Cm-238-250

Трансурановые элементы, техногенные
Стабильных изотопов нет
Альфа-, бета-, гамма- излучатели.
Побочные продукты при получении плутония, образуются в ядерных реакторах и при детонации ядерного оружия
Характер миграции в природной среде мало исследован
Америций более подвижен благодаря лучшей растворимости в воде

Йод – J-129(131)

Стабильный изотоп I-127
всего существует три радиоактивных изотопа J-131, J-133, J-135
изотопы бетта- и гамма-излучатели наиболее опасен иод-131, бета- и гамма-излучатель (в первые часы после взрыва создает 40-50% суммарной активности), I-131 – 8,06 сут
I-129 образуется в литосфере при спонтанном делении урана, Т=1,57 *107 лет;
Биологически активен, необходим для синтеза гормонов щитовидной железы,
Основной источник – ядерные взрывы, аварии на реакторах

---

Активно мигрирует по биологическим цепям

Судьба техногенных радионуклидов в экосистеме

Механизмы накопления
Изотопный
Аналоговый (K-Cs, Ca-Sr, Fe-Pu и др.)
Миграция
Биогеохимические циклы
Трофические цепи

Биокинетика техногенных радионуклидов микроорганизмами

Транспорт металлов в клетке контролируется метаболически
В 1990-х (1996 – L.Kochian – pers.comm) гг выделены гены, отвечающие за транспорт металлов в дрожжах
Семейства белков-переносчиков [Сhrispeels et al., 1999; Grotz, Guerinot, 2006 ]
ZIP (известно белее 100 белков на всех филогенетических уровнях) – отвечают за транспорт железа, цинка через плазм. Мембрану и тонопласт;
Nramp – широкая специализация транспорта
CDF (Cation Diffusion Facilitator) найдены в бактериях, грибах, растениях, животных – отвечают за транспорт металлов из цитоплазмы в органеллы и вывод во внеклеточную среду.
HMA (Heavy metal ATPase) – отвечают за гомеостаз Zn и специфический транспорт Cd
IRT (Iron Regulated Transporter) – белки - принадлежат семейству ZIP и отвечают за транспорт железа
YSL – Fe-фитосидерофоры
И т.д.
Сhrispeels et al., The Plant Cell, Vol. 11: 661-675, 1999
Grotz, Guerinot, Biochimica et Biophys Acta 1763: 595-608, 2006

Поступление металлов в клетку

Проникновения ионов металлов через клеточную мембрану возможно только через специальные белки (канальные белки, котранспортеры, АТФ-насосы)
Неэссенциальные металлы/металлоиды проникают в клетку через «чужие» транспортеры
Cd2+ поступает в клетку через транспортеры Zn2+, Fe2+, и Ca2+
[Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): 1707-19]

Биомолекулы – лиганды, которые участвуют в связывании, переносе и хранении накопленных металлов в растениях

Citrate
Histidine
Phytosiderophores
фитохелатины
Callahan DL, Baker AJ, Kolev SD, Wedd AG. Metal ion ligands in hyperaccumulating plants J Biol Inorg Chem. 2006 Jan;11(1):2-12.
Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): 1707-19

Что такое сидерофоры

Cидерофоры – специально синтезируемые при дефиците железа и выделяемые многими микроорганизмами [Braun, 1997; Sigel, Sigel., 1998] сравнительно низкомолекулярные вещества, которые специфически хелатируют железо(III) с образованием прочных комплексов с константами устойчивости порядка 1023–1035 [Braun, 1997], повышая его биодоступность (растения либо выделяют аналогичные вещества – фитосидерофоры, либо используют для усвоения железа экзогенные сидерофоры микроорганизмов) [Камнев, Перфильев, 2000].

---