Визначення концентрації радіонуклідів у трофічних ланцюгах. Визначення величини ефективного періоду напіввиведення в біологічних об'єктах

 

Мета: 1. Засвоїти теоретичні відомості про особливості міграції радіонуклідів у ланках трофічних ланцюгів різних екосистем;

2. Засвоїти методику визначення концентрації радіонуклідів у ланках трофічних ланцюгів різних екосистем та розрахунків ефективного періоду напіввиведення біологічних об'єктів.

 

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

У трофічних ланцюгах різні речовини послідовно переходять від одного організму до іншого. Органічні речовини в цьому процесі перетворюються на специфічну для кожного виду рослин і тварин форму. Так, білки рослин в процесі харчування фітофагів, які їх поїдають, розщеплюються до амінокислот, і вже з них в організмі тварини синтезуються свої специфічні білки.

По-іншому поводяться радіонукліди і ксенобіотики (речовин, які на початку в природі не існували, а пізніше були синтезовані людиною). Такі речовини проходять через трофічні ланки в незмінному вигляді. У силу того, що розмір біомаси в екологічних пірамідах закономірно знижується при переході на новий, більш високий трофічний рівень, концентрація радіонуклідів в розрахунку на одиницю біомаси ставати вище. Даний ефект називається законом концентрування речовин у трофічних ланках.

Закономірності концентрації речовин у трофічних ланцюгах були детально вивчені на прикладі ДДТ – пестициду, що застосовується для знищення ряду комах, він відрізняється високою стійкістю. За даними Н. Гріна та ін (1990), в США в трофічному ланцюгу З чотирьох ланок концентрація ДДТ зростала наступним чином: у тілі водних рослин його концентрація дорівнює 0, 04 г на один кг біомаси, у риб, що харчуються водними рослинами, вона зростала до 10 г на один кг біомаси, у хижих риб досягала до 50 г на один кг маси тіла, а у птахів, що харчуються рибою, досягала 75 г на один кг біомаси. Всього за чотири ланки трофічного ланцюга концентрація ДДТ у тканинах зростала в 1875 разів.

Аналогічним чином йде зміна концентрації у трофічних ланцюгах радіоактивних речовин. При переході радіоактивного цезію (¹³⁷Cs), стронцію (⁹⁰Sr) від однієї ланки трофічного ланцюга до іншого їх концентрація збільшується в 1, 5-8 разів.

Концентрування речовин у трофічних ланцюгах має велике значення для всієї практики господарювання людини в природних екосистемах. Забруднення, яке вважається незначним при оцінці кількості радіонукліда в навколишньому середовищі, стає катастрофічно небезпечним при дії закону концентрування і небезпечним, перш за все для самої людини, який знаходиться на верхівці більшості трофічних ланцюгів.

Трофічні ланцюзі виконують ще й бар'єрну функцію. З функціями концентрування та бар'єру живої речовини пов'язана здатність екосистем до самоочищення. Вона проявляється по відношенню до великого класу речовин. Ряд із них, потрапляючи в трофічний ланцюг, поступово руйнується. Але така здатність біомів до самоочищенню не безмежна. Існує верхній граничний рівень концентрації, перевищення якого вже не дає можливість біому очиститися від певної речовини. Тут багато чого залежить від типу забруднюючої речовини і швидкості його проходження всередині екосистеми. При повільному проходженні забруднюючих речовин самоочищення екосистеми йде ефективніше, ніж при разових викидах в екосистему великої кількості радіонуклідів та ксенобіотиків.

Число ядер радіонукліда, що розпадаються в одиницю часу, в даний момент пропорційно наявному числу ядер, тобто швидкість радіоактивного розпаду весь час зменшується, асимптотично наближаючись до нуля. Зменшення радіоактивності може бути описано за допомогою рівняння в диференціальній формі. Кожен радіоактивний ізотоп має характеристичну константу (λ), напіврозпаду радіонукліда Т 1/2 називають проміжок часу, за який число радіоактивних атомів даної речовини зменшується вдвічі. Число розпадів у одиницю часу визначає активність а радіонукліда; вона дорівнює добутку λ на N (N – число радіоактивних ядер в даний момент). Згідно закону радіоактивного розпаду за проміжок часу, що дорівнюється 2 періодам напіврозпаду, кількість залишених ядер змініться і складе (1/2)² частина, а за 10_*Т 1/2 - (1/2)¹⁰ = 1 / 1024 частина. До цього часу кількість ядер, яка залишилась, становить менше 0, 1%. Вважають, що збережеться одна тисячна частина початкової активності.

Встановлено, що під впливом радіоактивного стронцію-90, засвоєного організмом, спостерігається значне пошкодження окремих частин тіла, особливо скелета. Стронцій-90 випускає тільки слабо проникаючі β -частки, тому його значення при зовнішньому опроміненні невелика. У той же час він може бути вельми небезпечний як внутрішнє джерело радіації, оскільки його роль у процесах обміну речовин схожа з роллю кальцію і, подібно до кальцію, він відкладається і накопичується в кістках.

Для вимірювання концентрації радіоактивного стронцію запровадили так звану «стронцієвих одиницю», яка виражає активність стронцію-90 в пікокюрі на грам «кісткового кальцію». Вважається, що концентрація стронцію-90 в кістках не має перевищувати 100 стронцієвих одиниць. Якщо концентрація зросла хоча б на 10 одиниць, це слід розглядати як тривожний сигнал, на який негайно потрібно серйозну увагу.

Стронцій-90 потрапляє з ґрунту в кістки людини з рослинною їжею або з молоком корів, якщо ті паслися на заражених луках. Вміст радіоактивного стронцію в кістках обумовлено його концентрацією в ґрунті, тобто залежить від ступеня загального радіоактивного зараження навколишнього середовища. Оскільки організм легше засвоює кальцій, ніж стронцій, концентрація стронцію-90 в нової кісткової тканини, що утворилася після вживання в їжу заражених рослин, досягає приблизно 1/4 його концентрації щодо кальцію в ґрунті.

Для визначення шкідливого впливу радіонукліда після попадання останнього в організм людини встановлено так званий біологічний період напіввиведення, протягом якого половина поглиненого радіоактивного ізотопу покине організм.

За допомогою біологічний період напіввиведення Т _біол і фізичного періоду напіврозпаду Т_фіз можна обчислити середній ефективний період впливу випромінювання на організм або будь-який орган: Т_ефф характеризує проміжок часу, протягом якого тканини організму піддавалися опромінюванню за рахунок розпаду поглиненого радіонукліда:

 

, (4.1)

У таблиці № 4.1 наведені значення Т_фіз, Т_біол лля деяких радіонуклідів.

 

Таблиця № 4.1. – Значення Т_фіз, Т_біол деяких важливих радіонуклідів (за Д.Тейлором, 2004)

Радіонуклід	Тфіз	Тбіол	Вид випромінювання
Тритій Н-3	12, 26 року	19 днів	β -
Вуглець С-14	5730 років	35 днів	β -
Фосфор Р-32	14, 3 днів	10 років	β -
Калій К-40	1, 28*109 років	37 днів	β - , β +
Кальцій Са-45	165 днів	50 років	β -
Стронцій Sr-90	28, 1 років	11 років	β -, γ
Йод І-131	8, 07 днів	138 днів	β -, γ
Цезій Cs-137	30, 23 років	70 днів	β -, γ
Барій Ва-137	12, 8 днів	200 днів	β -, γ
Радон Rn-222	3, 24 днів	–	α
Радій Ra-236	1600 років	55 років	α, γ
Уран U-233	1, 62*105 років	300 днів	α, γ
Плутоній Pu-239	2, 44*104 років	120 років	α, γ

 

 

ЗАВДАННЯ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Опрацювати матеріал теоретичних відомостей практичного заняття;

2. Розв’язати розрахункові задачи та відповісти на контрольні запитання по варіантах:

Варіант	№ Розрах. задачи	№ Контр. запитання		Варіант	№ Розрах. задачи	№ Контр. запитання
1.	1; 15	1; 18		16.	2; 24	16; 3
2.	2; 16	2; 17		17.	3; 23	17; 2
3.	3; 17	3; 16		18.	4; 22	18; 1
4.	4; 18	4; 15		19.	5; 21	1; 13
5.	5; 19	5; 14		20.	6; 20	2; 14
6.	6; 20	6; 13		21.	7; 19	3; 15
7.	7; 21	7; 12		22.	8; 18	4; 16
8.	8; 22	8; 11		23.	9; 17	5; 17
9.	9; 23	9; 10		24.	10; 16	6; 18
10.	10; 24	10; 9		25.	11; 15	7; 1
11.	11; 25	11; 8		26.	1; 27	8; 2
12.	12; 26	12; 7		27.	2; 26	9; 3
13.	13; 27	13; 6		28.	3; 25	10; 4
14.	14; 26	14; 5		29.	4; 24	11; 5
15.	1; 25	15; 4		30.	5; 23	12; 6