Основы сельскохозяйственной экологии и радиационная безопасность
Ю. А. Александров Основы радиационной экологии Учебное пособие
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Марийский государственный университет»
Ю.А. Александров
Основы радиационной
экологии
Учебное пособие
Йошкар-Ола, 2007
ББК 40.1
УДК 631.5
А 46
Рецензенты:
Т.М. Быченко, канд. биол. наук, доц. Иркутского гос. пед. ун-та;
О.Л. Воскресенская, канд. биол. наук, доц. МарГУ;
В.Н. Самарцев, канд. биол. наук, проф. МарГУ
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ
Александров Ю.А.
А 46 Основы радиационной экологии: Учебное пособие /Мар. гос. ун-т; Ю.А. Александров. – Йошкар-Ола, 2007. – 268 с.
ISBN 978-5-94808-312-4
Пособие предназначено в качестве дополнительного для студентов биологических, экологических и сельскохозяйственных специальностей для изучения дисциплин «Радиационная экология», «Сельскохозяйственная радиобиология». Оно соответствует учебной программе, утвержденной УМО по классическому университетскому образованию Российской Федерации; УМО по зооветеринарным специальностям: 110403 – Ветеринария, 110401 – Зоотехния; УМО по агрономическим специальностям: 110305 – Технология производства и переработки продукции сельского хозяйства, 110203 – Агроэкология, 110201 – Агрономия (специализации «Экологическое земледелие»).
В нем изложен теоретический материал по радиационной экологии. Оно включает введение, 4 основных раздела, приложения, список использованной литературы, краткий терминологический словарь.
ББК 40.1
УДК 631.5
© Александров Ю.А., 2007
© ГОУВПО «Марийский государственный
ISBN 978-5-94808-312-4 университет», 2007
Посвящается 80-летнему юбилеюВасилия Алексеевича Киршина
| КИРШИН Василий Алексеевич – лауреат государственной премии СССР, доктор ветеринарных наук, профессор. |
Учебное пособие «Основы радиационной экологии» посвящается 80-летнему юбилею (1928 г.) моего научного руководителя и учителя, доктора ветеринарных наук, профессора, члена-корреспондента АН Республики Татарстан, лауреата Государственной премии СССР (1979), заслуженного деятеля науки Татарской АССР Василия Алексеевича Киршина.
Киршин В.А. – автор фундаментальных трудов в области патологии и патогенеза радиационных поражений, обоснования первичности реакции иммунной системы в развитии лучевого поражения, разработки средств эффективной противорадиационной защиты, проблем использования ионизирующих излучений для повышения продуктивности животноводства, разработки технологии получения иммунодиагностикумов и иммунопрепаратов для диагностики и лечения радиационных воздействии, явления эмбрионального и постэмбрионального радиационного гормезиса и методов их использования в животноводстве.
Он основал отдел радиобиологии в Казанской государственной академии ветеринарной медицины, во Всероссийском научно-исследовательском ветеринарном институте (г. Казань).
Созданная В.А. Киршиным Казанская школа ветеринарной радиобиологии насчитывает двадцать пять докторов и восемьдесят шесть кандидатов наук.
Он опубликовал более шестисот научных работ, три учебника и пять учебных пособий, радиобиологический справочник, радиобиологический словарь, четыре руководства по защите животных, получил пятьдесят пять авторских свидетельств и шесть патентов на изобретения, разработал более ста двадцати рекомендаций и наставлений, утвержденных ГУВ МСХ СССР, России, Белоруссии, Украины, для использования в сельскохозяйственном производстве.
В.А. Киршин награжден двумя орденами «Знак Почета», пятью медалями, четырьмя медалями «Отличник высшей школы», почетным знаком ГО, нагрудным знаком участника ликвидации последствий аварий на Чернобыльской аварии, удостоен звания «Изобретатель СССР».
Он является членом Российского и Белорусского экспертного Совета по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Желаем многоуважаемому Василию Алексеевичу Киршину здоровья, благополучия и творческого успеха.
Юрий Александрович Александров (1991 г.) доцент, канд. биол. наук, зав. кафедры зоотехнии Маргосуниверситета; Алексей Гаврилович Махоткин (1982 г.) доцент, канд. вет. наук, заслуженный деятель науки Марийской АССР (1995 г.), лауреат Государственной премии Республики Марий Эл (2005 г.).
Введение
Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле. Считается, что ионизирующие излучения сопровождали большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды. Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой подвергаются люди, например, во время медицинских рентгенологических исследований, при полетах в самолетах и космических кораблях, при выпадении радиоактивных осадков, образующихся после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций.
В результате этого в настоящее время миллионы людей контактируют с ионизирующими излучениями, загрязняя порой окружающий мир, а внешняя среда является постоянным источником низко интенсивного радиационного воздействия на организм человека.
Овладение энергией атомного ядра вовлекло огромные контингенты людей в сферу контактов с ионизирующим излучением (ИИ), а развитие ядерной энергетики как составной части научно-технического прогресса, применение ИИ и радиоактивных веществ в биологии, медицине, в сельском хозяйстве и в других областях расширило эти контакты, увеличило риск возможного воздействия на человека ионизирующей радиации. Расширение контактов человечества с ионизирующей радиацией, как составной частью внешней среды, делает особенно актуальным изучение их биологического действия и профилактику возможного повреждающего действия его.
Т
Предмет радиационной экологии и ее задачи
ермин «экология» (от греч. ойкос – дом, жилище, место обитания и логос – учение) был предложен в 1866 году немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем. Он понимал экологию как науку, изучающую взаимоотношения животного с окружающей средой, как органической, так и неорганической.В современном понимании, экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Предмет экологии – изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой некое единство (систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества. Основная задача экологии – изучение взаимодействия энергии и материи в экологической системе.
Сообщества живых организмов, обитающих на планете, образуют с окружающей средой экологическую систему, в которой осуществляются трансформация энергии и круговорот веществ. Согласно современным взглядам, экосистема – это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся совокупность может существовать неопределенно долгое время. Другими словами, экосистема – это структурная и функциональная единица, состоящая из взаимодействующих биотических и абиотических компонентов, через которые проходит поток энергии.
Как наука и учебная дисциплина экология основывается на разных отраслях биологии (физиологии, радиобиологии, токсикологии, генетике и др.), а также физике, химии, геологии, математике и других небиологических науках. С другой стороны, формирование экологии еще не завершено и часто вопросы, относящиеся к ней, излагают в курсах биологии, гигиены, географии и др. Тем не менее в составе экологии выделился ряд в значительной мере самостоятельных направлений, к числу которых относится и радиационная экология.
На современном этапе развития радиационной экологии главными ее задачами являются:
Продолжение изучения воздействия радиоактивного излучения на растительные и животные организмы, популяции и экосис-темы и прогнозирование последствий радиоактивного загрязнения
биосферы.
Исследование путей распространения радиоактивных изотопов в природной среде.
Разработка безопасных для животных организмов норм радиоактивного загрязнения компонентов природной среды.
Изучение выживания и адаптации живых организмов в условиях хронического облучения радионуклидами.
Исследование длительного действия на живые организмы малых доз радиации и прогнозирование отдаленных последствий такого облучения.
6. Немаловажной задачей радиационной экологии является популяризация этой науки среди широких слоев общественности, поскольку радиационная опасность осознана пока далеко не всеми.
7. Специалисты в области радиационной экологии должны широко использовать радиоэкологический мониторинг, т.е. систему наблююдений за изменением состояния окружающей среды под действием ее радиоактивного загрязнения.
О
История развития радиационной экологии
ткрытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году Х-лучей, названных впоследствии рентгеновскими (рентгеновыми) и сообщение 24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук профессора Анри Беккереля о том, что соединения урана испускают лучи, обладающие свойством ионизировать воздух, которое затем было названо естественной радиоактивностью, дало начало развитию ядерной физики и радиационной биологии, экологии.Открытием А. Беккереля заинтересовались крупнейшие ученые того времени, среди которых в первую очередь необходимо назвать Марию и Пьера Кюри, Э. Резерфорда и Ф. Содди. Впоследствии было открыто много других радиоактивных элементов, но внимание исследователей сосредоточилось вокруг трех из них – урана, тория и радия. Все это привело к зарождению совершенно новой науки – ядерной физики, бурное развитие которой началось уже в новом XX веке и привело в конце концов к созданию управляемых ядерных реакторов и атомного оружия. Это произошло в сороковых годах прошлого века сначала в США, а затем в Советском Союзе. Таким образом, 40-е годы XX столетия можно считать началом вступления человечества в атомную эру.
Интенсивные испытания сверхдержавами ядерного и термоядерного оружия в 50-х – 60-х и быстрое развитие атомной энергетики привело к выбросам в биосферу огромных масс радиоактивных веществ. К этому надо добавить загрязнение окружающей среды радионуклидами, вследствие проводимых взрывов атомных зарядов в мирных целях.
К другим источникам радиоактивного загрязнения, нарушающим сложившийся за миллионы лет радиационный фон на нашей планете, следует отнести добычу и переработку урановых и ториевых руд, производство ядерного оружия, эксплуатацию ядерных реакторов на кораблях, исследовательские работы в области ядерной физики, а также использование радиоизотопов в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.
Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что миллионы людей в мире проживают сейчас в неблагоприятной радиационной обстановке, что стало особенно ясно после аварии на Чернобыльской АЭС в середине восьмидесятых годов, когда произошло весьма значительное увеличение глобального радиационного фона.
Аварии на ядерных установках и утечки радионуклидов в биосферу на данном этапе развития цивилизации – явление далеко не редкое. Поэтому каждый сознательный житель планеты должен знать радиационную обстановку на территории, где он проживает, иметь представление об основных естественных и искусственных радионуклидах, поражающих действиях радиоактивных веществ, их физических и химических свойствах, закономерностях концентрации их в различных сферах окружающей среды, влиянии на живые организмы, продвижении радиоизотопов по пищевым цепочкам, методах экспрессной оценки радиоактивности различных объектов и способах защиты от внешнего и внутреннего радиоактивного облучения.
Названными и многими другими проблемами занимается радиационная экология, которая в настоящее время в виде отдельного предмета или в виде раздела в других дисциплинах преподается на многих естественных факультетах и отделениях высших и средних специальных учебных заведений и даже в старших классах некоторых школ.
5 декабря 1995 г. Государственной Думой Российской Федерации был принят закон «О радиационной безопасности населения». Он наделил органы государственной власти субъектов федерации полномочиями разрабатывать на основе упомянутого федерального закона нормативно-правовые акты субъектов федерации и реализовывать свои программы в области радиационной безопасности населения.
Начиная с середины 40-х годов XX века, со времени первого испытания атомной бомбы в Аламогордо, сверхдержавами мира было произведено около 1900 ядерных взрывов в атмосфере, гидросфере и литосфере, которые привели к значительным вспышкам глобального радиационного фона. К этому надо добавить десятки аварий на реакторах атомных электростанций, боевых кораблей, хранилищах радиоактивных отходов, на предприятиях, производящих обогащение ядерного материала.
Вторая половина XX столетия ознаменовалась бурным развитием энергетики особого типа, основанной на радиоактивном распаде. В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен энергетических установок, работающих на ядерном топливе. Кроме того при крупных научных центрах, ведущих исследования в области атомного ядра, функционируют сотни исследовательских реакторов. В дальнейшем, по мере исчерпания ресурсов горючих полезных ископаемых, этот вид получения энергии будет приобретать все большее ускорение. Расчеты показывают, что при современных мировых темпах потребления углеводородного сырья разведанных его запасов хватит лишь на 100 лет. Учитывая молниеносное развитие цивилизации, легко предсказать, что уже в ближайшем будущем человечество столкнется с проблемой энергетического голода, если выработка электроэнергии будет и впредь базироваться на сжигании органического топлива. Если прибавить к этому фактор вредности сжигания каустобиолитов, то станет вполне очевидным, что альтернативным источником энергии на данном этапе развития человеческого общества могут быть только АЭС. В соответствии с этим многократно возрастет количество радиоактивных отходов, требующих надежного захоронения, хранения и вторичной переработки.
Радионуклиды быстрыми темпами проникают в науку и технику. Уже сейчас сотни тысяч предприятий и учреждений в разных странах используют в своей повседневной работе источники ядерных излучений. Создаются все новые приборы и установки, принцип работы которых основан на радиоактивных препаратах. Их применяют в самых различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине и космической технике.
Развитие ядерного производства потребовало извлечения из глубин Земли колоссального количества радиоактивного сырья. За последние 50 лет из земных недр добыты и переработаны многие миллионы тонн урановых и ториевых руд. Содержание полезного компонента в радиоактивных рудах невелико, вследствие чего после их обогащения остается огромная масса «пустой» породы, которая может повысить местный радиационный фон в несколько раз.
Все это поставило людей в совершенно новые условия жизни, когда использование радиоактивных веществ буквально пронизывает все отрасли деятельности человека. Связанное с этим повышение местного радиационного фона во многих регионах планеты, рост числа зон локального загрязнения окружающей среды нарушают природное равновесие, которое сложилось за длительный период, измеряемый в геологическом масштабе времени. Уже сейчас средний уровень глобального загрязнения составляет: по цезию-137 – 0,08 Ки/км2, по стронцию-90 – 0,045 Ки/км2, по плутонию-239 – 0,005 Ки/км2, а мощность гамма-излучения на высоте 1 м – 10-15 мкР/ч (Булатов, 1996). Загрязнение радионуклидами биогеоценозов действует на популяции животных, которые длительно находились в условиях неизменного радиационного фона. Если не поставить заслон безудержному и бесконтрольному распространению радионуклидов в биосфере, то это приведет к непредсказуемым генетическим изменениям в животном и растительном мире и даже к гибели отдельных видов, а возможно и целых экологических сообществ.
Требуется качественно новый уровень культуры обращения людей с материалами, содержащими радионуклиды, ибо от этого будет зависеть само существование жизни на Земле.
В связи с этим изучение процессов накопления радиоактивных веществ организмами, их миграции в биосфере, взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения приобретает все большую актуальность. Этими вопросами уже на протяжении полувека занимается одна из отраслей экологии – радиационная экология.
З
ВЕРНАДСКИЙ
Владимир Иванович
1863-1945
арождение этой науки в нашей стране произошло в конце 20-х годов XX столетия с экспериментов В.И. Вернадского по накоплению радия живыми организмами. К началу сороковых годов относится публикация научных работ В.Ф. Натали о влиянии ионизирующего излучения на половую систему рыб. Бурное же становление радиоэкологии относится к пятидесятым годам, когда было установлено, что в результате испытаний атомного оружия биосфера Земли может быть загрязнена в глобальном масштабе.Взрывы ядерных устройств над городами Хиросимой и Нагасаки, военные учения армий США и СССР, в ходе которых проводились эксперименты на животных и людях, аварии на атомных кораблях и электростанциях, оснащенных атомными реакторами, предоставили исследователям богатейший фактический материал относительно последствий радиоактивного облучения человека, животных и растений.
Испытания атомного оружия с 1944 по 1963 годы вызвали глобальное загрязнение продуктами радиоактивного распада поверхности планеты и ее подвижных оболочек. Стало известно, что продукты ядерных взрывов поглощаются атмосферной пылью, переносятся на большие расстояния и выпадают на поверхность Земли с дождем и снегом, загрязняя почву радионуклидами. Последние, передвигаясь по пищевым цепочкам от зерна и травы через мясо и молоко животных, попадают в организм человека и разрушают его. Биологи поняли, что отныне вся биота Земли вынуждена будет существовать в совершенно новых, непривычных для нее условиях – в обстановке повышенной радиации. Поэтому потребовалось срочно переориентировать значительные научные силы в русло изучения влияния ионизирующих излучений на живые организмы.
В
Тимофеев-Ресовский
Николай Владимирович
1900-1981
1957 году состоялось совещание биологов СССР, организованное Академией Наук СССР, на котором было принято решение о значительном усилении исследований в области радиобиологии. Вслед за этим в срочном порядке во многих академических учреждениях страны были организованы и технически оснащены лаборатории радиобиологии. Ими руководили ведущие специалисты в области биологии: В.М. Клечковский, A.M. Кузин, Н.П. Дубинин, А.А. Передельский, П.П. Вавилов и многие другие. Это научное направление было новым в системе Академии наук, поэтому потребовались значительные усилия для подготовки специалистов. В их воспитании принял активное участие знаменитый биолог-генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский, работавший тогда в Ильменском заповеднике (г. Миасс). Экологам потребовалось изучать судьбу радиоактивных веществ, попавших в окружающую среду, воздействие иx на отдельные особи, популяции и экосистемы. Уже к началу 60-х годов были получены многочисленные данные, характеризующие радиочувствительность отдельных видов и сообществ организмов к облучению от внешних источников и при радиоактивном загрязнении среды обитания.Во всем мире эту зарождающуюся науку называли тогда радиационной биогеоценологией (Тимофеев-Ресовский Н.В., 1957). Уже в то время в радиоэкологии выделились два главных направления: изучение влияния ионизирующих излучений на живые организмы и закономерности распределения, накопления радионуклидов в природных сообществах. Головным научным учреждением, сосредоточившим исследования по накоплению и распределению радионуклидов по основным компонентам биогеоценозов, стал тогда Институт биологии Уральского филиала АН СССР, впоследствии переименованный в Институт экологии растений и животных. Руководство работами осуществлял Н.В. Тимофеев-Ресовский.
По мере накопления информации в радиоэкологии постепенно стали формироваться две главные отрасли – морская и континентальная, занимающиеся, соответственно, экосистемами океанов и континентов. В свою очередь в континентальной радиоэкологии выделились два направления – радиоэкология суши и континентальных водоемов.
Крупной отраслью континентальной радиоэкологии стала радиоэкология животных, которая интенсивно развивалась в трудах А.И. Ильенко, Д.А. Криволуцкого и В.Е. Соколова. Этим же ученым принадлежат основные исследования влияния ионизирующей радиации на популяции, много научных статей по накоплению стронция пресноводными рыбами принадлежит Г.Д. Лебедевой (1961, 1962, 1968).
В пятидесятые годы в печати появились первые результаты исследований по загрязнению континентальных водоемов радиоактивным стронцием и движению его по пищевым цепям (Марей A.M., 1955, 1958, 1961).
В последующие годы континентальная радиоэкология получила развитие в фундаментальных трудах уральских ученых Н.В. Куликова и И.В. Молчановой (1975, 1977, 1988). Еще в пятидесятые-шестидесятые годы этими учеными были получены данные о скорости и прочности фиксации радионуклидов различными почвами, степени подвижности радиоактивных элементов в системах «почва – раствор», «почва – растение» и «вода – гидробионты». Этими же исследователями проведены эксперименты по изучению радиочувствительности сотен видов культурных растений, определены значения коэффициентов накопления радионуклидов в представителях пресноводной фауны и флоры.
Морская радиоэкология последовательно развивалась в трудах Г.Г. Поликарпова и его учеников (Поликарпов, 1964; Поликарпов, Егоров, 1986), а затем в работе А.Е. Каткова (1985).
Бурное развитие атомной энергетики в 70-е – 80-е годы способствовало повороту внимания исследователей в сторону экологических проблем, непосредственно связанных с эксплуатацией энергоустановок на ядерном топливе. В этот период при крупных атомных электростанциях были созданы лаборатории, занимающиеся радиоэкологическими проблемами, касающимися наземных и пресноводных экосистем. Исследования на Биофизической станции Института экологии растений и животных УО РАН при Белоярской АЭС показали, что осторожная и грамотная эксплуатация объектов атомной энергетики абсолютно безопасна для окружающей среды. В 1986 году по халатности руководства произошла крупная авария на Чернобыльской АЭС, след от которой окутал всю планету, повысив глобальный радиационный фон. Выпало большое количество радиоактивных осадков. Специалисты радиоэкологи используют это, изучая процессы взаимодействия выпадающих из атмосферы радиоактивных примесей с почвенно-растительным покровом, явления сорбции и прочности фиксации многих искусственных радионуклидов в различных почвах, закономерности усвоения их живыми организмами и движения радиоактивных элементов по пищевым цепочкам.
Беспрецедентная по масштабам авария на Чернобыльской АЭС заставила многократно увеличить масштаб радиоэкологических исследований. Как никогда возросло международное сотрудничество ученых в этой области, поскольку с развитием атомной энергетики и увеличением количества разрабатываемых ядерных технологий неизбежно возрастает и радиационная опасность. К настоящему времени уже достаточно хорошо изучено распределение радионуклидов в организмах наземных животных и в гидробионтах, а также движение естественных и искусственных радиоактивных элементов по пищевым цепям.
.
.
Раздел 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (ИИ)
РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Ю.А. Александров
ОСНОВЫ
РАДИАЦИОННОЙ
ЭКОЛОГИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ББК 40.1 УДК 631.5 А 46
Рецензенты:
Т.М. Быченко, канд. биол. наук, доц. Иркутского гос. пед.ун-та;О.Л. Воскресенская, канд. биол. наук, доц. МарГУ;В.Н. Самарцев, канд. биол. наук, проф. МарГУ
Рекомендовано к изданию редакционно-издательскимсоветом МарГУ
Александров Ю.А.
А 46 Основы радиационной экологии:Учебное пособие /Мар.
гос. ун-т;Ю.А. Александров. –Йошкар-Ола,2007. – 268 с.
ISBN 978-5-94808-312-4
Пособие предназначено в качестве дополнительного для студентов биологических, экологических и сельскохозяйственных специальностей для изучения дисциплин «Радиационная экология», «Сельскохозяйственная радиобиология». Оно соответствует учебной программе, утвержденной УМО по классическому университетскому образованию Российской Федерации; УМО по зооветеринарным специальностям: 110403 – Ветеринария, 110401 – Зоотехния; УМО по агрономическим специальностям: 110305 – Технология производства и переработки продукции сельского хозяйства, 110203 – Агроэкология, 110201 – Агрономия (специализации «Экологическое земледелие»).
В нем изложен теоретический материал по радиационной экологии. Оно включает введение, 4 основных раздела, приложения, список использованной литературы, краткий терминологический словарь.
ББК 40.1 УДК 631.5
©Александров Ю.А., 2007
©ГОУВПО «Марийский государственный
университет», 2007
Введение
Посвящается 80-летнемуюбилею Василия Алексеевича Киршина
КИРШИН Василий Алексеевич –
лауреат государственной премии СССР, доктор ветеринарных наук, профессор.
Учебное пособие «Основы радиационной экологии» посвящается 80-летнемуюбилею (1928 г.) моего научного руководителя и учителя, доктора ветеринарных наук, профессора,члена-корреспондентаАН Республики Татарстан, лауреата Государственной премии СССР (1979), заслуженного деятеля науки Татарской АССРВасилия Алексеевича Киршина.
Киршин В.А. – автор фундаментальных трудов в области патологии и патогенеза радиационных поражений, обоснования первичности реакции иммунной системы в развитии лучевого поражения, разработки средств эффективной противорадиационной защиты, проблем использования ионизирующих излучений для повышения продуктивности животноводства, разработки технологии получения иммунодиагностикумов и иммунопрепаратов для диагностики и лечения радиационных воздействий, явления эмбрионального и постэмбрионального радиационного гормезиса и методов их использования в животноводстве.
Он основал отдел радиобиологии в Казанской государственной академии ветеринарной медицины, во Всероссийском научно-исследо-вательском ветеринарном институте (г. Казань).
Созданная В.А. Киршиным Казанская школа ветеринарной радиобиологии насчитывает двадцать пять докторов и восемьдесят шесть кандидатов наук.
Он опубликовал более шестисот научных работ, три учебника и пять учебных пособий, радиобиологический справочник, радиобиологический словарь, четыре руководства по защите животных, получил пятьдесят пять авторских свидетельств и шесть патентов на изобретения,
Введение
разработал более ста двадцати рекомендаций и наставлений, утвержденных ГУВ МСХ СССР, России, Белоруссии, Украины, для использования в сельскохозяйственном производстве.
В.А. Киршин награжден двумя орденами «Знак Почета», пятью медалями, четырьмя медалями «Отличник высшей школы», почетным знаком ГО, нагрудным знаком участника ликвидации последствий аварий на Чернобыльской аварии, удостоен звания «Изобретатель СССР».
Он является членом Российского и Белорусского экспертного Совета по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Желаем многоуважаемому Василию Алексеевичу Киршину здоровья, благополучия и творческого успеха.
Юрий Александрович Александров (1991 г.) доцент, канд. биол. наук,
зав. кафедрой зоотехнии Маргосуниверситета; Алексей Гаврилович Махоткин (1982 г.) доцент, канд. вет. наук, заслуженный деятель науки Марийской АССР (1995 г.), лауреат Государственной премии Республики Марий Эл (2005 г.).
4
Введение
Введени е
Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле. Считается, что ионизирующие излучения сопровождали большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды. Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой подвергаются люди, например, во время медицинских рентгенологических исследований, при полетах в самолетах и космических кораблях, при выпадении радиоактивных осадков, образующихся после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций.
В результате этого в настоящее время миллионы людей контактируют с ионизирующими излучениями, загрязняя порой окружающий мир, а внешняя среда является постоянным источником низко интенсивного радиационного воздействия на организм человека.
Овладение энергией атомного ядра вовлекло огромные контингенты людей в сферу контактов с ионизирующим излучением (ИИ), а развитие ядерной энергетики как составной части научно-техническогопрогресса, применение ИИ и радиоактивных веществ в биологии, медицине, в сельском хозяйстве и в других областях расширило эти контакты, увеличило риск возможного воздействия на человека ионизирующей радиации. Расширение контактов человечества с ионизирующей радиацией, как составной частью внешней среды, делает особенно актуальным изучение их биологического действия и профилактику возможного повреждающего действия его.
Введение
Предмет радиационной | Термин «экология» (от греч.ойкос – | |
дом, жилище, место обитания и | ло- | |
экологии и ее задачи | ||
гос – учение) был предложен | в | |
1866 году немецким биологом-эволюционистомЭрнстом Геккелем. Он понимал экологию как науку, изучающую взаимоотношения животного
сокружающей средой, как органической, так и неорганической.
Всовременном понимании, экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Предмет экологии – изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой некое единство (систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества. Основная задача экологии – изучение взаимодействия энергии и материи в экологической системе.
Сообщества живых организмов, обитающих на планете, образуют с окружающей средой экологическую систему, в которой осуществляются трансформация энергии и круговорот веществ. Согласно современным взглядам, экосистема – это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся совокупность может существовать неопределенно долгое время. Другими словами, экосистема – это структурная и функциональная единица, состоящая из взаимодействующих биотических и абиотических компонентов, через которые проходит поток энергии.
Как наука и учебная дисциплина экология основывается на разных отраслях биологии (физиологии, радиобиологии, токсикологии, генетике и др.), а также физике, химии, геологии, математике и других небиологических науках. С другой стороны, формирование экологии еще не завершено и часто вопросы, относящиеся к ней, излагают в курсах биологии, гигиены, географии и др. Тем не менее в составе экологии
выделился ряд в значительной мере самостоятельных направлений, к числу которых относится и радиационная экология.
На современном этапе развития радиационной экологии главными ее задачами являются:
1. Продолжение изучения воздействия радиоактивного излучения на растительные и животные организмы, популяции и экосистемы и прогнозирование последствий радиоактивного загрязнения биосферы.
2. Исследование путей распространения радиоактивных изотопов в природной среде.
6
Введение
3.Разработка безопасных для животных организмов норм радиоактивного загрязнения компонентов природной среды.
4.Изучение выживания и адаптации живых организмов в условиях хронического облучения радионуклидами.
5.Исследование длительного действия на живые организмы малых доз радиации и прогнозирование отдаленных последствий такого облучения.
6.Немаловажной задачей радиационной экологии является популяризация этой науки среди широких слоев общественности, поскольку радиационная опасность осознана пока далеко не всеми.
7.Специалисты в области радиационной экологии должны широко использовать радиоэкологический мониторинг, т.е. систему наблююдений за изменением состояния окружающей среды под действием ее радиоактивного загрязнения.
История развития | Открытие | Вильгельмом | Конрадом | |
Рентгеном в 1895 году Х-лучей,на- | ||||
радиационной экологии | ||||
званных | впоследствии | рентгенов- | ||
скими (рентгеновыми) и сообщение 24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук профессора Анри Беккереля о том, что соединения урана испускают лучи, обладающие свойством ионизировать воздух, которое затем было названо естественной радиоактивностью, дало начало развитию ядерной физики и радиационной биологии, экологии.
Открытием А. Беккереля заинтересовались крупнейшие ученые того времени, среди которых в первую очередь необходимо назвать Марию и Пьера Кюри, Э. Резерфорда и Ф. Содди. Впоследствии было открыто много других радиоактивных элементов, но внимание исследователей сосредоточилось вокруг трех из них – урана, тория и радия. Все это привело к зарождению совершенно новой науки – ядерной физики, бурное развитие которой началось уже в новом XX веке и привело в конце концов к созданию управляемых ядерных реакторов и атомного оружия. Это произошло в сороковых годах прошлого века сначала в США, а затем в Советском Союзе. Таким образом, 40-егоды XX столетия можно считать началом вступления человечества в атомную эру.
Интенсивные испытания сверхдержавами ядерного и термоядерного оружия в 50-х–60-хи быстрое развитие атомной энергетики привело к выбросам в биосферу огромных масс радиоактивных веществ. К этому надо добавить загрязнение окружающей среды радионуклидами, вследствие проводимых взрывов атомных зарядов в мирных целях.
Введение
К другим источникам радиоактивного загрязнения, нарушающим сложившийся за миллионы лет радиационный фон на нашей планете, следует отнести добычу и переработку урановых и ториевых руд, производство ядерного оружия, эксплуатацию ядерных реакторов на кораблях, исследовательские работы в области ядерной физики, а также использование радиоизотопов в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.
Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что миллионы людей в мире проживают сейчас в неблагоприятной радиационной обстановке, что стало особенно ясно после аварии на Чернобыльской АЭС в середине восьмидесятых годов, когда произошло весьма значительное увеличение глобального радиационного фона.
Аварии на ядерных установках и утечки радионуклидов в биосферу на данном этапе развития цивилизации – явление далеко не редкое. Поэтому каждый сознательный житель планеты должен знать радиационную обстановку на территории, где он проживает, иметь представление об основных естественных и искусственных радионуклидах, поражающих действиях радиоактивных веществ, их физических и химических свойствах, закономерностях концентрации их в различных сферах окружающей среды, влиянии на живые организмы, продвижении радиоизотопов по пищевым цепочкам, методах экспрессной оценки радиоактивности различных объектов и способах защиты от внешнего и внутреннего радиоактивного облучения.
Названными и многими другими проблемами занимается радиационная экология, которая в настоящее время в виде отдельного предмета или в виде раздела в других дисциплинах преподается на многих естественных факультетах и отделениях высших и средних специальных учебных заведений и даже в старших классах некоторых школ.
5 декабря 1995 г. Государственной Думой Российской Федерации был принят закон «О радиационной безопасности населения». Он наделил органы государственной власти субъектов федерации полномочиями разрабатывать на основе упомянутого федерального закона норма- тивно-правовыеакты субъектов федерации и реализовывать свои программы в области радиационной безопасности населения.
Начиная с середины 40-хгодов XX века, со времени первого испытания атомной бомбы в Аламогордо, сверхдержавами мира было произведено около 1900 ядерных взрывов в атмосфере, гидросфере и литосфере, которые привели к значительным вспышкам глобального радиационного фона. К этому надо добавить десятки аварий на реакторах атомных электростанций, боевых кораблей, хранилищах радиоак-
8
Введение
тивных отходов, на предприятиях, производящих обогащение ядерного материала.
Вторая половина XX столетия ознаменовалась бурным развитием энергетики особого типа, основанной на радиоактивном распаде. В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен энергетических установок, работающих на ядерном топливе. Кроме того при крупных научных центрах, ведущих исследования в области атомного ядра, функционируют сотни исследовательских реакторов. В дальнейшем, по мере исчерпания ресурсов горючих полезных ископаемых, этот вид получения энергии будет приобретать все большее ускорение. Расчеты показывают, что при современных мировых темпах потребления углеводородного сырья разведанных его запасов хватит лишь на 100 лет. Учитывая молниеносное развитие цивилизации, легко предсказать, что уже в ближайшем будущем человечество столкнется с проблемой энергетического голода, если выработка электроэнергии будет и впредь базироваться на сжигании органического топлива. Если прибавить к этому фактор вредности сжигания каустобиолитов, то станет вполне очевидным, что альтернативным источником энергии на данном этапе развития человеческого общества могут быть только АЭС. В соответствии с этим многократно возрастет количество радиоактивных отходов, требующих надежного захоронения, хранения и вторичной переработки.
Радионуклиды быстрыми темпами проникают в науку и технику. Уже сейчас сотни тысяч предприятий и учреждений в разных странах используют в своей повседневной работе источники ядерных излучений. Создаются все новые приборы и установки, принцип работы которых основан на радиоактивных препаратах. Их применяют в самых различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине и космической технике.
Развитие ядерного производства потребовало извлечения из глубин Земли колоссального количества радиоактивного сырья. За последние 50 лет из земных недр добыты и переработаны многие миллионы тонн урановых и ториевых руд. Содержание полезного компонента в радиоактивных рудах невелико, вследствие чего после их обогащения остается огромная масса «пустой» породы, которая может повысить местный радиационный фон в несколько раз.
Все это поставило людей в совершенно новые условия жизни, когда использование радиоактивных веществ буквально пронизывает все отрасли деятельности человека. Связанное с этим повышение местного радиационного фона во многих регионах планеты, рост числа зон локального загрязнения окружающей среды нарушают природное равновесие, которое сложилось за длительный период, измеряемый в геоло-
Введение
гическом масштабе времени. Уже сейчас средний уровень глобального загрязнения составляет: по цезию-137– 0,08 Ки/км2, постронцию-90– 0,045 Ки/км2, поплутонию-239– 0,005 Ки/км2, амощность гамма-
излучения на высоте 1 м –10-15мкР/ч (Булатов, 1996). Загрязнение радионуклидами биогеоценозов действует на популяции животных, которые длительно находились в условиях неизменного радиационного фона. Если не поставить заслон безудержному и бесконтрольному распространению радионуклидов в биосфере, то это приведет к непредсказуемым генетическим изменениям в животном и растительном мире и даже к гибели отдельных видов, а возможно и целых экологических сообществ.
Требуется качественно новый уровень культуры обращения людей с материалами, содержащими радионуклиды, ибо от этого будет зависеть само существование жизни на Земле.
В связи с этим изучение процессов накопления радиоактивных веществ организмами, их миграции в биосфере, взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения приобретает все большую актуальность. Этими вопросами уже на протяжении полувека занимается одна из отраслей экологии – радиационная экология.
Зарождение этой науки в нашей стране произошло в конце 20-хгодов XX столетия с экспериментов В.И. Вернадского по накоплению ра-
дия живыми организмами. К началу сороко- | |
вых годов относится публикация научных | |
работ В.Ф. Натали о влиянии ионизирующе- | |
го излучения на половую систему рыб. Бур- | |
ное же становление радиоэкологии относит- | |
ся к пятидесятым годам, когда было | |
установлено, что в результате испытаний | |
атомного оружия биосфера Земли может | |
быть загрязнена в глобальном масштабе. | |
Взрывы ядерных устройств над городами | |
Хиросимой и Нагасаки, военные учения ар- | |
мий США и СССР, в ходе которых проводи- | |
лись эксперименты на животных и людях, | |
аварии на атомных кораблях и элект- | |
ростанциях, оснащенных атомными реакто- | |
ВЕРНАДСКИЙ | рами, предоставили исследователям бога- |
Владимир Иванович | тейший фактический материал относительно |
1863-1945 | последствий радиоактивного облучения че- |
ловека, животных и растений. | |
10 |
Основы радиационной экологии
Федеральное агентство по образованиюГОУ ВПО «Марийский государственный университет»
Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие
Йошкар-Ола, 2007
ББК 40.1
УДК 631.5А 46
Рецензенты:
Т.М. Быченко, канд. биол. наук, доц. Иркутского гос. пед. ун-та;
О.Л. Воскресенская, канд. биол. наук, доц. МарГУ;
В.Н. Самарцев, канд. биол. наук, проф. МарГУ
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ
Александров Ю.А.А 46 Основы радиационной экологии: Учебное пособие /Мар. гос. ун-т; Ю.А. Александров. – Йошкар-Ола, 2007. – 268 с.
ISBN 978-5-94808-312-4
Пособие предназначено в качестве дополнительного для студентов биологических, экологических и сельскохозяйственных специальностей для изучения дисциплин «Радиационная экология», «Сельскохозяйственная радиобиология». Оно соответствует учебной программе, утвержденной УМО по классическому университетскому образованию Российской Федерации; УМО по зооветеринарным специальностям: 110403 – Ветеринария, 110401 – Зоотехния; УМО по агрономическим специальностям: 110305 – Технология производства и переработки продукции сельского хозяйства, 110203 – Агроэкология, 110201 – Агрономия (специализации «Экологическое земледелие»).
В нем изложен теоретический материал по радиационной экологии. Оно включает введение, 4 основных раздела, приложения, список использованной литературы, краткий терминологический словарь. ББК 40.1
УДК 631.5
© Александров Ю.А., 2007© ГОУВПО «Марийский государственный
ISBN 978-5-94808-312-4 университет», 2007
Посвящается 80-летнему юбилею Василия Алексеевича Киршина
КИРШИН Василий Алексеевич – лауреат государственной премии СССР, доктор ветеринарных наук, профессор. |
Учебное пособие «Основы радиационной экологии» посвящается 80-летнему юбилею (1928 г.) моего научного руководителя и учителя, доктора ветеринарных наук, профессора, члена-корреспондента АН Республики Татарстан, лауреата Государственной премии СССР (1979),
заслуженного деятеля науки Татарской АССР Василия Алексеевича Киршина.Киршин В.А. – автор фундаментальных трудов в области патологии и патогенеза радиационных поражений, обоснования первичности реакции иммунной системы в развитии лучевого поражения, разработки средств эффективной противорадиационной защиты, проблем использования ионизирующих излучений для повышения продуктивности животноводства, разработки технологии получения иммунодиагностикумов и иммунопрепаратов для диагностики и лечения радиационных воздействии, явления эмбрионального и постэмбрионального радиационного гормезиса и методов их использования в животноводстве.
Он основал отдел радиобиологии в Казанской государственной академии ветеринарной медицины, во Всероссийском научно-исследовательском ветеринарном институте (г. Казань).
Созданная В.А. Киршиным Казанская школа ветеринарной радиобиологии насчитывает двадцать пять докторов и восемьдесят шесть кандидатов наук.
Он опубликовал более шестисот научных работ, три учебника и пять учебных пособий, радиобиологический справочник, радиобиологический словарь, четыре руководства по защите животных, получил пятьдесят пять авторских свидетельств и шесть патентов на изобретения, разработал более ста двадцати рекомендаций и наставлений, утвержденных ГУВ МСХ СССР, России, Белоруссии, Украины, для использования в сельскохозяйственном производстве.
В.А. Киршин награжден двумя орденами «Знак Почета», пятью медалями, четырьмя медалями «Отличник высшей школы», почетным знаком ГО, нагрудным знаком участника ликвидации последствий аварий на Чернобыльской аварии, удостоен звания «Изобретатель СССР».
Он является членом Российского и Белорусского экспертного Совета по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Желаем многоуважаемому Василию Алексеевичу Киршину здоровья, благополучия и творческого успеха.
Юрий Александрович Александров (1991 г.) доцент, канд. биол. наук, зав. кафедры зоотехнии Маргосуниверситета; Алексей Гаврилович Махоткин (1982 г.) доцент, канд. вет. наук, заслуженный деятель науки Марийской АССР (1995 г.), лауреат Государственной премии Республики Марий Эл (2005 г.).
ВведениеРадиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле. Считается, что ионизирующие излучения сопровождали большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды. Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой подвергаются люди, например, во время медицинских рентгенологических исследований, при полетах в самолетах и космических кораблях, при выпадении радиоактивных осадков, образующихся после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций.
В результате этого в настоящее время миллионы людей контактируют с ионизирующими излучениями, загрязняя порой окружающий мир, а внешняя среда является постоянным источником низко интенсивного радиационного воздействия на организм человека.
Овладение энергией атомного ядра вовлекло огромные контингенты людей в сферу контактов с ионизирующим излучением (ИИ), а развитие ядерной энергетики как составной части научно-технического прогресса, применение ИИ и радиоактивных веществ в биологии, медицине, в сельском хозяйстве и в других областях расширило эти контакты, увеличило риск возможного воздействия на человека ионизирующей радиации. Расширение контактов человечества с ионизирующей радиацией, как составной частью внешней среды, делает особенно актуальным изучение их биологического действия и профилактику возможного повреждающего действия его.
Т Предмет радиационной экологии и ее задачи ермин «экология» (от греч. ойкос – дом, жилище, место обитания и логос – учение) был предложен в 1866 году немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем. Он понимал экологию как науку, изучающую взаимоотношения животного с окружающей средой, как органической, так и неорганической.
В современном понимании, экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Предмет экологии – изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой некое единство (систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества. Основная задача экологии – изучение взаимодействия энергии и материи в экологической системе.
Сообщества живых организмов, обитающих на планете, образуют с окружающей средой экологическую систему, в которой осуществляются трансформация энергии и круговорот веществ. Согласно современным взглядам, экосистема – это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся совокупность может существовать неопределенно долгое время. Другими словами, экосистема – это структурная и функциональная единица, состоящая из взаимодействующих биотических и абиотических компонентов, через которые проходит поток энергии.
Как наука и учебная дисциплина экология основывается на разных отраслях биологии (физиологии, радиобиологии, токсикологии, генетике и др.), а также физике, химии, геологии, математике и других небиологических науках. С другой стороны, формирование экологии еще не завершено и часто вопросы, относящиеся к ней, излагают в курсах биологии, гигиены, географии и др. Тем не менее в составе экологии выделился ряд в значительной мере самостоятельных направлений, к числу которых относится и радиационная экология.
На современном этапе развития радиационной экологии главными ее задачами являются:
- Продолжение изучения воздействия радиоактивного излучения на растительные и животные организмы, популяции и экосис- темы и прогнозирование последствий радиоактивного загрязнения биосферы.
- Исследование путей распространения радиоактивных изотопов в природной среде.
- Разработка безопасных для животных организмов норм радиоактивного загрязнения компонентов природной среды.
- Изучение выживания и адаптации живых организмов в условиях хронического облучения радионуклидами.
- Исследование длительного действия на живые организмы малых доз радиации и прогнозирование отдаленных последствий такого облучения.
7. Специалисты в области радиационной экологии должны широко использовать радиоэкологический мониторинг, т.е. систему наблююдений за изменением состояния окружающей среды под действием ее радиоактивного загрязнения.
ОИстория развития радиационной экологии
ткрытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году Х-лучей, названных впоследствии рентгеновскими (рентгеновыми) и сообщение 24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук профессора Анри Беккереля о том, что соединения урана испускают лучи, обладающие свойством ионизировать воздух, которое затем было названо естественной радиоактивностью, дало начало развитию ядерной физики и радиационной биологии, экологии.Открытием А. Беккереля заинтересовались крупнейшие ученые того времени, среди которых в первую очередь необходимо назвать Марию и Пьера Кюри, Э. Резерфорда и Ф. Содди. Впоследствии было открыто много других радиоактивных элементов, но внимание исследователей сосредоточилось вокруг трех из них – урана, тория и радия. Все это привело к зарождению совершенно новой науки – ядерной физики, бурное развитие которой началось уже в новом XX веке и привело в конце концов к созданию управляемых ядерных реакторов и атомного оружия. Это произошло в сороковых годах прошлого века сначала в США, а затем в Советском Союзе. Таким образом, 40-е годы XX столетия можно считать началом вступления человечества в атомную эру.
Интенсивные испытания сверхдержавами ядерного и термоядерного оружия в 50-х – 60-х и быстрое развитие атомной энергетики привело к выбросам в биосферу огромных масс радиоактивных веществ. К этому надо добавить загрязнение окружающей среды радионуклидами, вследствие проводимых взрывов атомных зарядов в мирных целях.
К другим источникам радиоактивного загрязнения, нарушающим сложившийся за миллионы лет радиационный фон на нашей планете, следует отнести добычу и переработку урановых и ториевых руд, производство ядерного оружия, эксплуатацию ядерных реакторов на кораблях, исследовательские работы в области ядерной физики, а также использование радиоизотопов в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.
Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что миллионы людей в мире проживают сейчас в неблагоприятной радиационной обстановке, что стало особенно ясно после аварии на Чернобыльской АЭС в середине восьмидесятых годов, когда произошло весьма значительное увеличение глобального радиационного фона.
Аварии на ядерных установках и утечки радионуклидов в биосферу на данном этапе развития цивилизации – явление далеко не редкое. Поэтому каждый сознательный житель планеты должен знать радиационную обстановку на территории, где он проживает, иметь представление об основных естественных и искусственных радионуклидах, поражающих действиях радиоактивных веществ, их физических и химических свойствах, закономерностях концентрации их в различных сферах окружающей среды, влиянии на живые организмы, продвижении радиоизотопов по пищевым цепочкам, методах экспрессной оценки радиоактивности различных объектов и способах защиты от внешнего и внутреннего радиоактивного облучения.
Названными и многими другими проблемами занимается радиационная экология, которая в настоящее время в виде отдельного предмета или в виде раздела в других дисциплинах преподается на многих естественных факультетах и отделениях высших и средних специальных учебных заведений и даже в старших классах некоторых школ.
5 декабря 1995 г. Государственной Думой Российской Федерации был принят закон «О радиационной безопасности населения». Он наделил органы государственной власти субъектов федерации полномочиями разрабатывать на основе упомянутого федерального закона нормативно-правовые акты субъектов федерации и реализовывать свои программы в области радиационной безопасности населения.
Начиная с середины 40-х годов XX века, со времени первого испытания атомной бомбы в Аламогордо, сверхдержавами мира было произведено около 1900 ядерных взрывов в атмосфере, гидросфере и литосфере, которые привели к значительным вспышкам глобального радиационного фона. К этому надо добавить десятки аварий на реакторах атомных электростанций, боевых кораблей, хранилищах радиоактивных отходов, на предприятиях, производящих обогащение ядерного материала.
Вторая половина XX столетия ознаменовалась бурным развитием энергетики особого типа, основанной на радиоактивном распаде. В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен энергетических установок, работающих на ядерном топливе. Кроме того при крупных научных центрах, ведущих исследования в области атомного ядра, функционируют сотни исследовательских реакторов. В дальнейшем, по мере исчерпания ресурсов горючих полезных ископаемых, этот вид получения энергии будет приобретать все большее ускорение. Расчеты показывают, что при современных мировых темпах потребления углеводородного сырья разведанных его запасов хватит лишь на 100 лет. Учитывая молниеносное развитие цивилизации, легко предсказать, что уже в ближайшем будущем человечество столкнется с проблемой энергетического голода, если выработка электроэнергии будет и впредь базироваться на сжигании органического топлива. Если прибавить к этому фактор вредности сжигания каустобиолитов, то станет вполне очевидным, что альтернативным источником энергии на данном этапе развития человеческого общества могут быть только АЭС. В соответствии с этим многократно возрастет количество радиоактивных отходов, требующих надежного захоронения, хранения и вторичной переработки.
Радионуклиды быстрыми темпами проникают в науку и технику. Уже сейчас сотни тысяч предприятий и учреждений в разных странах используют в своей повседневной работе источники ядерных излучений. Создаются все новые приборы и установки, принцип работы которых основан на радиоактивных препаратах. Их применяют в самых различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине и космической технике.
Развитие ядерного производства потребовало извлечения из глубин Земли колоссального количества радиоактивного сырья. За последние 50 лет из земных недр добыты и переработаны многие миллионы тонн урановых и ториевых руд. Содержание полезного компонента в радиоактивных рудах невелико, вследствие чего после их обогащения остается огромная масса «пустой» породы, которая может повысить местный радиационный фон в несколько раз.
Все это поставило людей в совершенно новые условия жизни, когда использование радиоактивных веществ буквально пронизывает все отрасли деятельности человека. Связанное с этим повышение местного радиационного фона во многих регионах планеты, рост числа зон локального загрязнения окружающей среды нарушают природное равновесие, которое сложилось за длительный период, измеряемый в геологическом масштабе времени. Уже сейчас средний уровень глобального загрязнения составляет: по цезию-137 – 0,08 Ки/км2, по стронцию-90 – 0,045 Ки/км2, по плутонию-239 – 0,005 Ки/км2, а мощность гамма-излучения на высоте 1 м – 10-15 мкР/ч (Булатов, 1996). Загрязнение радионуклидами биогеоценозов действует на популяции животных, которые длительно находились в условиях неизменного радиационного фона. Если не поставить заслон безудержному и бесконтрольному распространению радионуклидов в биосфере, то это приведет к непредсказуемым генетическим изменениям в животном и растительном мире и даже к гибели отдельных видов, а возможно и целых экологических сообществ.
Требуется качественно новый уровень культуры обращения людей с материалами, содержащими радионуклиды, ибо от этого будет зависеть само существование жизни на Земле.
В связи с этим изучение процессов накопления радиоактивных веществ организмами, их миграции в биосфере, взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения приобретает все большую актуальность. Этими вопросами уже на протяжении полувека занимается одна из отраслей экологии – радиационная экология.
З
ВЕРНАДСКИЙ
Владимир Иванович
1863-1945 арождение этой науки в нашей стране произошло в конце 20-х годов XX столетия с экспериментов В.И. Вернадского по накоплению радия живыми организмами. К началу сороковых годов относится публикация научных работ В.Ф. Натали о влиянии ионизирующего излучения на половую систему рыб. Бурное же становление радиоэкологии относится к пятидесятым годам, когда было установлено, что в результате испытаний атомного оружия биосфера Земли может быть загрязнена в глобальном масштабе.
Взрывы ядерных устройств над городами Хиросимой и Нагасаки, военные учения армий США и СССР, в ходе которых проводились эксперименты на животных и людях, аварии на атомных кораблях и электростанциях, оснащенных атомными реакторами, предоставили исследователям богатейший фактический материал относительно последствий радиоактивного облучения человека, животных и растений.
Испытания атомного оружия с 1944 по 1963 годы вызвали глобальное загрязнение продуктами радиоактивного распада поверхности планеты и ее подвижных оболочек. Стало известно, что продукты ядерных взрывов поглощаются атмосферной пылью, переносятся на большие расстояния и выпадают на поверхность Земли с дождем и снегом, загрязняя почву радионуклидами. Последние, передвигаясь по пищевым цепочкам от зерна и травы через мясо и молоко животных, попадают в организм человека и разрушают его. Биологи поняли, что отныне вся биота Земли вынуждена будет существовать в совершенно новых, непривычных для нее условиях – в обстановке повышенной радиации. Поэтому потребовалось срочно переориентировать значительные научные силы в русло изучения влияния ионизирующих излучений на живые организмы.
В
Тимофеев-РесовскийНиколай Владимирович
1900-1981 1957 году состоялось совещание биологов СССР, организованное Академией Наук СССР, на котором было принято решение о значительном усилении исследований в области радиобиологии. Вслед за этим в срочном порядке во многих академических учреждениях страны были организованы и технически оснащены лаборатории радиобиологии. Ими руководили ведущие специалисты в области биологии: В.М. Клечковский, A.M. Кузин, Н.П. Дубинин, А.А. Передельский, П.П. Вавилов и многие другие. Это научное направление было новым в системе Академии наук, поэтому потребовались значительные усилия для подготовки специалистов. В их воспитании принял активное участие знаменитый биолог-генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский, работавший тогда в Ильменском заповеднике (г. Миасс). Экологам потребовалось изучать судьбу радиоактивных веществ, попавших в окружающую среду, воздействие иx на отдельные особи, популяции и экосистемы. Уже к началу 60-х годов были получены многочисленные данные, характеризующие радиочувствительность отдельных видов и сообществ организмов к облучению от внешних источников и при радиоактивном загрязнении среды обитания.
Во всем мире эту зарождающуюся науку называли тогда радиационной биогеоценологией (Тимофеев-Ресовский Н.В., 1957). Уже в то время в радиоэкологии выделились два главных направления: изучение влияния
ионизирующих излучений на живые организмы и закономерности распределения, накопления радионуклидов в природных сообществах. Головным научным учреждением, сосредоточившим исследования по накоплению и распределению радионуклидов по основным компонентам биогеоценозов, стал тогда Институт биологии Уральского филиала АН СССР, впоследствии переименованный в Институт экологии растений и животных. Руководство работами осуществлял Н.В. Тимофеев-Ресовский.По мере накопления информации в радиоэкологии постепенно стали формироваться две главные отрасли – морская и континентальная, занимающиеся, соответственно, экосистемами океанов и континентов. В свою очередь в континентальной радиоэкологии выделились два направления – радиоэкология суши и континентальных водоемов.
Крупной отраслью континентальной радиоэкологии стала радиоэкология животных, которая интенсивно развивалась в трудах А.И. Ильенко, Д.А. Криволуцкого и В.Е. Соколова. Этим же ученым принадлежат основные исследования влияния ионизирующей радиации на популяции, много научных статей по накоплению стронция пресноводными рыбами принадлежит Г.Д. Лебедевой (1961, 1962, 1968).
В пятидесятые годы в печати появились первые результаты исследований по загрязнению континентальных водоемов радиоактивным стронцием и движению его по пищевым цепям (Марей A.M., 1955, 1958, 1961).
В последующие годы континентальная радиоэкология получила развитие в фундаментальных трудах уральских ученых Н.В. Куликова и И.В. Молчановой (1975, 1977, 1988). Еще в пятидесятые-шестидесятые годы этими учеными были получены данные о скорости и прочности фиксации радионуклидов различными почвами, степени подвижности радиоактивных элементов в системах «почва – раствор», «почва – растение» и «вода – гидробионты». Этими же исследователями проведены эксперименты по изучению радиочувствительности сотен видов культурных растений, определены значения коэффициентов накопления радионуклидов в представителях пресноводной фауны и флоры.
Морская радиоэкология последовательно развивалась в трудах Г.Г. Поликарпова и его учеников (Поликарпов, 1964; Поликарпов, Егоров, 1986), а затем в работе А.Е. Каткова (1985).
Бурное развитие атомной энергетики в 70-е – 80-е годы способствовало повороту внимания исследователей в сторону экологических проблем, непосредственно связанных с эксплуатацией энергоустановок на ядерном топливе. В этот период при крупных атомных электростанциях были созданы лаборатории, занимающиеся радиоэкологическими проблемами, касающимися наземных и пресноводных экосистем. Исследования на Биофизической станции Института экологии растений и животных УО РАН при Белоярской АЭС показали, что осторожная и грамотная эксплуатация объектов атомной энергетики абсолютно безопасна для окружающей среды. В 1986 году по халатности руководства произошла крупная авария на Чернобыльской АЭС, след от которой окутал всю планету, повысив глобальный радиационный фон. Выпало большое количество радиоактивных осадков. Специалисты радиоэкологи используют это, изучая процессы взаимодействия выпадающих из атмосферы радиоактивных примесей с почвенно-растительным покровом, явления сорбции и прочности фиксации многих искусственных радионуклидов в различных почвах, закономерности усвоения их живыми организмами и движения радиоактивных элементов по пищевым цепочкам.
Беспрецедентная по масштабам авария на Чернобыльской АЭС заставила многократно увеличить масштаб радиоэкологических исследований. Как никогда возросло международное сотрудничество ученых в этой области, поскольку с развитием атомной энергетики и увеличением количества разрабатываемых ядерных технологий неизбежно возрастает и радиационная опасность. К настоящему времени уже достаточно хорошо изучено распределение радионуклидов в организмах наземных животных и в гидробионтах, а также движение естественных и искусственных радиоактивных элементов по пищевым цепям.
.
.
9.2 Обеспечение радиационной безопасности природной среды
В первый период использования ядерной энергии вопросы обеспечения радиационной безопасности касалась только персонала, непосредственно связанного с ядерными установками, и людей, проживающих в непосредственной близости к этим предприятиям. В современный период быстрого и широкого развития ядерной энергетики фактор дополнительного воздействия ионизирующих излучении на человека и окружающую его среду приобретает глобальный характер. В этих условиях должны быть разработаны принципиально новые концепции радиационной защиты человека, так как в этом случае в качестве облучаемого контингента должно рассматриваться все население земного шара. Глобальное рассеяние искусственных радиоактивных веществ и техногенное усиление темпов круговорота естественных радионуклидов обусловливают дополнительное, по сравнению с природным фоновым, облучение любого живого организма в биосфере Земли, что одновременно с радиационно-гигиеническими проблемами может выдвигать задачи экологического нормирования радиационных воздействий на природные сообщества микроорганизмов, растений и животных (3).
В основу современных концепций нормирования радиационного фактора положен принцип ограничения дозы на человека. В Публикации № 26 МКРЗ (85), отражающей наиболее современные воззрения на принципы радиационной безопасности, говорится, что «...меры радиационной безопасности, необходимые для защиты населения, по-видимому, будут достаточны, чтобы одновременно защитить и все другие виды живых организмов, хотя и не обязательно все особи этих видов». МКРЗ, следовательно, полагает, что если человек надежно защищен от облучения, другие виды живых организмов будут также достаточно защищены. Повышение радиационного фона в глобальных масштабах делает актуальной задачу разработки принципов охраны здоровья человека и окружающей его среды с учетом непосредственного воздействия ионизирующих излучений на объекты природной среды. Это целесообразно назвать экологическим принципом нормирования радиационной нагрузки. В дополнение к анализу влияния облучения на человека, что можно считать радиационно-гигиеническим, или антропогенным принципом нормирования радиационного воздействия. При применении критериев радиоэкологического нормирования имеется в виду помимо решения задачи охраны биологических ресурсов нашей планеты, в первую очередь сохранения генофонда живых организмов в биосфере Земли, также обеспечение такой среды обитания человека, которая необходима для его нормального существования. При этом нужно исходить из тезиса, что охрана здоровья человека от радиационного воздействия — это не только прямая защита его от облучения, но и обеспечение радиационной безопасности самой среды, так как человек может быть здоров только в «здоровой» среде (3).
По рaдиoycтoйчивости человек относится к самым радиочувствительным организмам в биосфере. ЛД100 для него при остром воздействии составляет 4,5 Гр. Однако целый ряд других объектов внешней среды, помимо упомянутых выше млекопитающих, в общем достаточно близок по радиорезистентности к человеку. Доказано, что существовавшая в 60-х годах концепция прямой зависимости между филогенетическим возрастом живых организмов и радиоустойчивостью (чем старше организм на филогенетической лестнице, тем он более радиоустойчив) не является строгой. Так, филогенетически более древние организмы—древесные породы (особенно хвойные) оказываются по радиочувствительности достаточно близкими к филогенетически более молодым представителям живого мира — млекопитающим и человеку. Радиоэкологическими исследованиями в нашей стране и за рубежом показано, что гибель взрослых сосновых деревьев при остром облучении происходит при дозе около 1—2 Гр. Эта доза еще ниже для молодых (5—10-летних) деревьев. Таким образом, хвойные древесные породы, составляющие основу значительной части лесного покрова Земли, по радиочувствительности близки к человеку и млекопитающим; коэффициент запаса по дозовым воздействиям, ведущим к летальным последствиям, для человека относительно хвойных растений не превышает 2—4 Гр. Поглощенная доза около 20 Гр ведет к гибели не отдельных представителей живого мира, а к поражению целых природных экосистем, каковыми, в частности, являются хвойные леса. Обширная экологическая литература о действии ионизирующих излучений на природные и искусственные экосистемы свидетельствует о том, что поглощенная доза 2—10 Гр вызывает существенные видимые радиационные повреждения у многих типов природных и искусственных сообществ растений и животных (3).
Вместе с тем длительные (десятки и более лет) экологические наблюдения за действием ионизирующих излучений на природные экосистемы показывают, что неблагоприятные сдвиги в природной среде могут иметь место и при значительно более низкой дозе излучения (0,1 – 0,3 Гр). К сожалению, радиоэкологическая информация о влиянии ионизирующих излучений на естественные и искусственные сообщества растений и животных еще не дала убедительных однозначных ответов о дозовой зависимости радиационных эффектов на биогеоценотическом уровне (это в основном связано со сложностью и комплексностью наблюдений за действием ионизирующих излучений в природе). Однако в этой ситуации целесообразно ориентироваться на более осторожные (консервативные) радиоэкологические прогнозы последствий облучения природной среды, чтобы избежать недооценки радиационных эффектов в окружающей человека среде.
Антропогенный (радиационно-гигиенический) подход к нормированию содержания радионуклидов в окружающей среде т. е. оценка предельно допустимых концентраций радиоактивных веществ в объектах внешней среды только с точки зрения радиационной безопасности человека как объекта облучения, не во всех радиологических ситуациях достаточно полный, чтобы обеспечить одновременно радиационную защиту и человека, и других находящихся в окружающей среде живых организмов. Несмотря на то, что природное сообщества живых организмов весьма резистентные образования по отношению к дозам излучений, с которыми связано широкое использование ядерной энергии, задача обеспечения радиационной безопасности биосферы состоит в детальном изучении всех цепей миграции и компонентов биогеоценозов для выявления уязвимых мест, где радиационный стресс может привести к нежелательным последствиям, даже при относительно малом уровне воздействия (3).
Существующие нормативы содержания радиоактивных веществ в объектах окружающей среды являются только радиационно-гигиеническими. При этом объекты внешней среды рассматриваются как источники внешнего облучения человека или как источники питания. Нормирование концентрации радионуклидов в воздухе тоже осуществляется исходя из анализа опасности ингаляционного поступления радионуклидов в организм человека.
При нормировании по радиационно-гигиеническому принципу и рассмотрении последствий облучения человека и живых организмов подразумевается, что абсолютные поглощенные дозы для находящихся в среде, содержащей радионуклиды, человека, с одной стороны, и других живых организмов—с другой, достаточно близки. Однако такое положение не всегда соответствует действительности — реальные поглощенные дозы облучений человека и биологических объектов при выбросе в окружающую среду радионуклидов существенно различаются. Причем в абсолютном большинстве случаев поглощенная доза у растений и животных значительны выше, чем у человека.
Так, при выпадении свежей смеси продуктов деления на посевы злаковых растений дозе у-излучения на открытой местности 1 Гр соответствует поглощенная доза в отдельных критических органах растений, в 10—50 раз (а в крайних случаях до 100—250 раз) более высокая. В лесу, на который оседают В-, у-излучающие нуклиды только по поглощенной дозе у-излучения этот показатель на высоте 1 м (что эквивалентно гигиеническому критерию допустимого внешнего излучения человека) для хвойных лесов после выпадения радиоактивных аэрозолей может быть в 2—2,5 paза ниже, чем поглощенная в кронах деревьев доза, определяющая радиационное поражение леса. Если в состав выпадающей из воздуха смеси радионуклидов входят В-излучатели, не играющие сколько-нибудь заметной роли во внешнем облучении человека, но имеющие первостепенное значение в лучевых эффектах у растений, то поглощенные дозы у человека, находящегося в лесу, и у, собственно древесных растений могут различаться более чем в 20 раз (3).
При ограничении дозы внешнего у-облучения человека до 0, 25 Зв для радиологической ситуации с выведением свежей смеси продуктов деления суммарная поглощенная доза на сельскохозяйственные растения в отдельные фазы их развития может достигать 3—7 Гр, что ведет к снижению урожайности зерна до 60%, резкому возрастанию числа мутаций и увеличению генетического груза. У древесных растений поглощенная доза в этих условиях может превысить 0,5 Гр, что приводит к заметным лучевым эффектам в лесах. При выпасе сельскохозяйственных животных на изодозной линии 0,25 Зв в случае выпадения свежей смеси продуктов деления за счет поступления радионуклидов в организм лактация может уменьшиться на 25—50%, причем у коров развивается хроническая лучевая болезнь I и II степеней. При ограничении дозы облучения человека 0,005—0,03 Зв, эквивалентное облучение популяций растений в дозе 0,6—3 Зв принимая на основании вышеуказанного коэффициент перехода от дозы облучения человека к поглощенной дозе растений равным 100, безусловно, может быть причиной серьезных отрицательных изменений в растительных сообществах (3,92).
Следует отметить, что для обеспечения радиационной безопасности человека имеется арсенал активных методов защиты, наиболее эффективными среди которых являются эвакуация из района загрязнения, постоянное или временное запрещение потребление критических пищевых продуктов дезактивация. Для защиты же живой природы от радиоактивного загрязнения набор технически и экономически приемлемых методов крайне ограничен. Перефразируя известную поговорку «деревья умирают стоя», можно сказать, что «вся природа выдерживает радиационное воздействие на месте» (3).
Если опасность радиационного воздействия обусловлена поступлением радионуклидов с рационом в результате их миграции по пищевым цепям, то защита населения осуществляется прежде всего за счет изменения традиционно сложившейся площади питания, структуры посевных площадей и завоза продовольствия с незагрязненной территории. Естественно, что доза на диких животных и растения от осевшего радиоактивного вещества в подобных ситуациях существенно выше, чем на человека.
Здесь следует напомнить и о различиях в составе рациона человека и животных, приводящих к значительной разнице в дозе облучения сравниваемых объектов, обитающих на территории с одинаковой концентрацией радионуклидов. Наглядным примером могут быть олени, основной корм которых составляют лишайники, играющие роль природного планшета с высокой эффективностью улавливания радиоактивных выпадений. При выпадении 90Sr из воздуха и потреблении оленями лишайников, а человеком — оленины доза облучения костной ткани у оленей может быть выше, чем у человека, более чем в 100 раз. При выпадения 137Сs из атмосферы, поглощенная доза на все тело у оленей больше в два раза, чем у человека (3).
Рассмотренная выше специфика формирования поглощенной дозы при нахождении радионуклидов во внешней среде у человека, с одной стороны, и живых организмов—с другой, побуждает к мысли, что, по крайней мере, в некоторых радиологических ситуациях для определенных групп живых организмов в биосфере экологические нормативы радиационных воздействий оказываются более жесткими, чем санитарно-гигиенические. Справедливость этого положения подтверждается экспериментальными данными для некоторых природных экосистем.
В качестве количественного критерия, с помощью которого целесообразно выполнять экологическое нормирование радиационных воздействий, можно использовать понятие «радиологическая емкость среды», означающее предельное содержание радионуклидов в определенной экосистеме (биогеоценозе) или ее отдельном компоненте, при котором исключено повреждающее действие излучение на критические звенья этой экосистемы. Основным моментом использования этого термина является правильный выбор критических звеньев облучаемой экосистемы (4).
Таким образом, принимая принципы радиационно-гигиенического нормирования как основного при обеспечении радиационной безопасности, следует признать целесообразность их дополнения для ряда радиологических ситуаций, характеризующихся большим разнообразием, экологическими критериями, чтобы гарантировать охрану природной среды от радиационных воздействий при разных видах использования ядерной энергии.