Особенности миграции стронция-90 в окружающую среду

1.3 Особенности миграции стронция-90 в окружающую среду

Радионуклид ⁹⁰Sr характеризуется большей подвижностью в почвах по сравнению с ¹³⁷Сs. Поглощение ⁹⁰Sr в почвах в основном обусловлено ионным обменом. Большая часть задерживается в верхних горизонтах. Скорость миграции его по почвенному профилю зависит от физико-химических и минералогических особенностей почвы.

При наличии в почвенном профиле перегнойного горизонта, расположенного под слоем подстилки или дернины, ⁹⁰Sr концентрируется в этом горизонте. В таких почвах, как дерново-подзолистая песчаная, перегнойно-торфянисто-глеевая суглинистая на песке, черноземно-луговая оподзоленная, выщелоченный чернозем, наблюдается некоторое увеличение содержания радионуклида в верхней части иллювиального горизонта.

В засоленных почвах появляется второй максимум, что связано с меньшей растворимостью сульфата стронция и его подвижностью. В верхнем горизонте он задерживается в солевой корке. Концентрирование в перегнойном горизонте объясняется высоким содержанием гумуса, большой величиной емкости поглощения катионов и образованием малоподвижных соединений с органическим веществом почв.

В модельных экспериментах при внесении ⁹⁰Sr в разные почвы, помещенные в вегетационные сосуды, было установлено, что скорость его миграции в условиях опыта возрастает с увеличением содержания обменного кальция. Повышение миграционной способности ⁹⁰Sr в почвенном профиле при увеличении содержания кальция наблюдалось и в полевых условиях. Миграция стронция-90 возрастает также с увеличением кислотности и содержания органического вещества [21 , 49].

В миграции 90Sr большую роль играет лесная растительность. В период интенсивных радиоактивных выпадений деревья выполняют роль экрана, на котором осаждались радиоактивные аэрозоли. Задержанные поверхностью листьев и хвои радионуклиды поступают на поверхность почвы с опавшими листьями и хвоей. Особенности лесной подстилки оказывают существенное влияние на содержание и распределение стронция-90. В лиственных подстилках содержание ⁹⁰Sr постепенно падает от верхнего слоя к нижнему, в хвойных происходит значительное накопление радионуклида в нижней гумусированной части подстилки.

 (2)

Таблица 2 – Образование стронция 90

При делении ²³⁵U и ²³⁹Pu тепловыми нейтронами в реакторе ⁹⁰Srобразуется с выходами 5,77 и 2,25 %. Значительные количества ⁹⁰Sr (7,4 · 10¹⁷ Бк) были выброшены в атмосферу при испытаниях ядерного оружия в 1945–1980 гг. [22 ,64 ].

При выбросах большая часть радионуклидов попадает в стратосферу (слой атмосферы, лежащий на высоте 10–50 км) и остается там в течение многих месяцев, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара. Период полураспада ⁸⁹Sr составляет 50,5 сут., и он, попав в стратосферу при ядерных взрывах, в основном там и распадается, не представляя такой большой радиационной опасности для землян, как ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs, которые, выпадая, загрязняют поверхность Земли на многие годы.

С другой стороны, при авариях на ядерных реакторах, таких, как на Чернобыльской АЭС, когда накопленная равновесная активность ⁸⁹Sr в 10 раз превышает активность ⁹⁰Sr, который из-за своего большого периода полураспада не успевает накопиться за 2–3 года работы реактора, ситуация меняется. Сразу после аварии на Чернобыльской АЭС активность выброшенных короткоживущих радионуклидов ⁸⁹Sr была во много раз выше, чем ⁹⁰Sr или ¹³⁷Cs [23 , 89].

После испытаний ядерного оружия радиоактивные осадки состоят в основном из водорастворимых и способных к ионному обмену форм ⁹⁰Sr, в то же время после аварии на Чернобыльской АЭС ⁹⁰Sr нередко осаждался в формах устойчивых соединений.

При работе АЭС ⁹⁰Sr, как и ¹³⁷Cs, выброшенный в окружающую среду, в конечном итоге накапливается или в верхних слоях почвы в наземных системах, или в донных осадках природных водных резервуаров. При этом стронций мигрирует на очень малые расстояния, например на 1 см за несколько лет.

Проведенные в конце 1980-х гг. исследования невспаханных участков в Кыштыме, загрязненных в 1957 г. ⁹⁰Sr и другими радионуклидами при взрыве отходов, показали, что ⁹⁰Sr за этот период времени достиг глубины 15 см, и это означает, что скорость его миграции составила 0,5 см/г. Из почвы через корневую систему ⁹⁰Sr выносится в растения и входит в состав зерна, бобов, моркови и других продуктов. Этот вынос определяется коэффициентом переноса (КП), который зависит от вида почв и рН среды.

С целью уменьшения выноса ⁹⁰Sr из почвы в растения применяют вспашку почвы и внесение удобрений [24 ,12 ].

Наиболее эффективна глубокая вспашка, приводящая к погребению активности ниже того слоя, в котором находятся корни растений. В районах Южного Урала, загрязненных ⁹⁰Sr после аварии в Кыштыме, были получены хорошие результаты при вспашке на глубину 50 см. Из данных таблицы следует, что действенной мерой, наряду с внесением с удобрениями N, P и К, является известкование почвы.

Таблица 3 - Некоторые характерные значения КП ⁹⁰Sr из почвы в растение (Бк · кг^–1 сухой культуры/Бк · кг^–1 сухой почвы) (Пояснение. КП приводится для верхнего слоя глубиной 20 см, а значения для трав даны для верхнего слоя почвы глубиной 10 см)

Таблица 4 - Влияние сельскохозяйственных контрмер на поглощение ⁹⁰Sr луговыми растениями в окрестностях Гомеля (Белоруссия)

Радиоактивный стронций поступает в организм человека через ЖКТ, легкие и кожу. Растворимые соединения стронция хорошо всасываются из ЖКТ, величина резорбции — 0,1–0,6, и резорбция составляет менее 0,01 для плохо растворимых соединений. Стронций быстро всасывается из легких. Через 5 мин после интратрахеального введения в количестве 1,48 · 10⁴ Бк/г в легких остается 33,3 % введенного количества, через сутки — 0,39 %. При нанесении изотопов стронция на кожу в количестве 2,4 · 10⁵ Бк/см² фиксация активности происходит сразу же после загрязнения кожной поверхности [25, 31].

При резорбции стронция из ЖКТ важное значение имеют диета, химическое соединение радионуклида и физиологические факторы (возраст, лактация и беременность, состояние минерального обмена, нервной и эндокринной систем). Величина всасывания радионуклида из ЖКТ уменьшается с увеличением возраста, с повышением содержания кальция и фосфора в диете, при введении высоких доз тироксина. Прием альгината натрия за 20 мин до введения стронция понижает его содержание в крови в 8–10 раз, а лактоза, лизин и аргинин, наоборот, удваивают величину всасывания стронция из ЖКТ.

Независимо от пути и периодичности поступления в организм растворимых соединений радиоактивного стронция, он избирательно накапливается в скелете, а в мягких тканях задерживается менее 1 %. После внутривенного введения радиоактивного стронция в организм человека через 100 суток в нем останется 20 % от введенного количества, в то время как у обезьян — 47 %, а у кроликов — 7,5 %. Доля отложений стронция в скелете зависит от пути его поступления. При интратрахеальном поступлении депонируется 76 %, ингаляционном — 31,6 %, внутрибрюшном — 81,2 % и накожном — всего 7  [26 , 44].

В экспериментах на животных установлено, что при внутримышечном или пероральном введении радиоактивного стронция самкам в разные сроки беременности большая часть (50–70) его откладывалась в плодах в последние дни беременности. Распределение радиоактивного стронция в разных частях одной и той же кости и в разных костях неравномерное. Стронций откладывается в участках костей, обладающих наибольшей зоной роста, где происходит усиленное образование кости.

Учитывая функцию удержания и выведения и ⁹⁰Sr через почки, Абрамов и Голутвина рассчитали дозу от этих радионуклидов на поверхности кости при однократном и хроническом введении радионуклидов в количестве 37 кБк/сут. Из таблицы видно, что при однократном введении радионуклидов стронция суммарная доза от ⁸⁹Sr по прошествии нескольких периодов полураспада этого нуклида практически не возрастает, а доза от ⁹⁰Sr, обусловленная суммой малых констант распада и биологического выведения, непрерывно увеличивается.

Таблица 5- Оцененная доза на поверхности кости при однократном и хроническом введении в организм радионуклидов ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr в количестве 37 кБк/сут.

Предложена возрастная модель отложения стронция и других щелочноземельных элементов в кости человека во всем возрастном диапазоне, начиная с рождения. Показано, что ожидаемые эквивалентные дозы для костного мозга при поступлении ⁹⁰Sr в первые месяцы после рождения на порядок выше, чем при поступлении в организм взрослого человека.

Выведение стронция из организма человека и животных происходит как с калом, так и с мочой. При пероральном поступлении большая часть стронция выделяется с калом. За 8 суток суммарное выделение ⁸⁹Sr составляет 77,9 %, из них 5 % с мочой.

Установлено несколько периодов полувыведения ⁹⁰Sr из организма. Короткий период полувыведения (2,5–8,5 сут.) характеризует выведение стронция из мягких тканей, длинный период (90–154 сут.) — преимущественно из костей. При длительном пероральном или парэнтеральном введении в организм ⁹⁰Sr период полувыведения из скелета значительно увеличивается, а начальный короткий период полувыведения отсутствует или очень мал. У человека и животных после однократного перорального поступления радионуклидов стронция с молоком во время лактации выделяется от 0,04 до 4 % на 1 л молока от введенного радионуклида; при хроническом поступлении ⁹⁰Sr в организм с молоком выделяется 0,05–6,3 % на 1 л по отношению к дневной норме [27 , 44].

Введение остроэффективных количеств ⁹⁰Sr вызывает развитие типичной острой лучевой патологии. Возникают выраженные изменения со стороны периферической крови: лейкопения, лимфопения, нейтропения, ретикулопения. Наблюдаются изменения красной крови, ускорение реакции оседания эритроцитов, замедление свертывания крови и увеличение объема плазмы.

У собак, получавших с пищей ежедневно 0,74 кБк/кг ⁹⁰Sr в течение 3–3,5 лет, выявлены нарушения в углеводном обмене, изменения секреторной и экскреторной функций печени и почек. Меньшие количества ⁹⁰Sr (0,675 кБк/кг) к существенным функциональным изменениям в их организме не привели, однако за 9–13 лет из подопытной группы погибло 80 % собак, а из контрольной — 11 % [28 , 51].

Длительное введение собакам ⁹⁰Sr с пищей (0,74–0,074 кБк/кг) и накопление суммарной поглощенной дозы в скелете до 3,6–9,0 Гр приводит к учащению возникновения у них доброкачественных и злокачественных опухолей мягких тканей (в 3–5 раз чаще по сравнению с контрольными животными). Хроническое введение этим животным ⁹⁰Sr (по 0,74 кБк/кг в сутки в течение 3 лет), создающее мощность тканевой дозы в скелете до 1,5 Гр/г., может вызвать развитие лейкозов и остеосарком. При хроническом введении в 10 раз меньших количеств этого радионуклида (поглощенная доза в скелете до 0,5 Гр/г.) наблюдаются нарушения в развитии потомства и понижение его жизнеспособности [29, 66].

Радиоактивность ⁹⁰Sr определяют по дочернему ⁹⁰Y, который осаждается в виде оксалатов. Из продуктов питания ⁹⁰Y выделяют экстракцией моноизооктиловым эфиром метилфосфоновой кислоты. Из золы костной ткани ⁹⁰Y экстрагируют трибутилфосфатом. Активность измеряют на низкофонной установке. Определение ⁸⁹Sr в пищевых продуктах, растительности и костной ткани основано на осаждении стронция дымящей азотной кислотой с последующим измерением активности. При попадании радиоактивных изотопов стронция на открытые участки кожи дезактивацию проводят 5%-м раствором пентацина, 5%-м раствором Na₂(ЭДТА) или 2%-м раствором соляной кислоты, а также моющими порошками. При попадании радионуклидов стронция через ЖКТ принимают внутрь препарат «Адсорбар» или сернокислый барий (25 г с 200 мл воды), альгинат натрия или кальция (15 г с 200 мл воды) или препарат «Полисурьмин» (4 г с 200 мл воды). Применяют рвотные средства и проводят обильное промывание желудка. После очищения желудка осуществляют повторное введение адсорбентов с солевыми слабительными. В случае поражения пылевыми продуктами проводят обильное промывание носоглотки и полости рта, используют отхаркивающие, а также мочегонные средства.

В соответствии с НРБ-99 допустимая концентрация ⁹⁰Sr в воздухе рабочих помещений примерно в 24 раза ниже, чем ⁸⁹Sr, что указывает на его исключительную радиационную опасность. Для населения допустимая концентрация ⁹⁰Sr в атмосферном воздухе регламентируется (НРБ-99) величиной, равной 2,7 Бк/м³, что находится за пределами чувствительности большинства методов выделения и измерения радиоактивности этого радионуклида.

Таблица 6- ПГП, e , ДОА в воздухе рабочих помещений в зависимости от химических соединений и ядерно-физических свойств радионуклидов ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, МЗУА и МЗА этих изотопов на рабочем месте

Таблица 7- ДОА в воздухе, e , ПГП с воздухом, водой и пищей радионуклидов ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr и УВ при его поступлении с водой для населения

Исследованиями установлено, что 80-90% радионуклидов сосредоточено в активной зоне расположения основной массы корней сельскохозяйственных культур. На необрабатываемых после чернобыльской катастрофы землях практически все радионуклиды находятся в верхней части (до 10-15 см) гумусовых горизонтов, а на пахотных почвах радионуклиды распределены сравнительно равномерно по всей глубине обрабатываемого слоя. Расчеты показывают, что в ближайшей перспективе самоочищение корнеобитаемого слоя загрязненных почв за счет вертикальной миграции радионуклидов будет незначительным [30 , 21].

Вместе с тем наблюдаются процессы локального вторичного загрязнения почв сельскохозяйственных угодий за счет горизонтальной миграции радионуклидов вследствие ветровой и водной эрозии. Содержание цезия-137 в пахотном горизонте различных элементов рельефа склоновых земель в результате водной эрозии на посевах однолетних культур за девять лет перераспределилось до 1,5-3,0 раз.

Увеличение плотности загрязнения почв цезием-137 в зоне аккумуляции (нижние части склонов и понижения) по сравнению с зоной смыва составило в среднем от 13% при ежегодном смыве почвы менее 5 т/га до 75% - при смыве 12-20 т/га. На бессменных посевах многолетних трав твердого стока не наблюдалось и достоверных различий в плотности загрязнения почв по элементам склонов не установлено. В результате ветровой эрозии осушенных торфяно-болотных и песчаных почв, используемых под посев однолетних культур, локальные различия в плотности загрязнения пахотного горизонта радиоцезием достигали 1,5-2,0 раз. Это подчеркивает необходимость защиты почв от водной и ветровой эрозии, что обеспечивает также снижение потерь гумусового слоя и уменьшает вероятность загрязнения продукции на локальных участках угодий.

Доступность растениям цезия-137 в почве со временем снижается вследствие его перехода в необменно-поглощенное состояние, а подвижность стронция-90 остается высокой и имеет тенденцию к повышению. Основное количество цезия-137 (70-84%) находится в прочносвязанной форме. Для стронция-90, наоборот, характерно преобладание легкодоступных для растений водорастворимой и обменной форм, которые в сумме составляют 53-87% от валового содержания.

Отмеченные изменения обусловили разную биологическую доступность указаниях радионуклидов. Анализ большого массива экспериментальных данных показал, что коэффициенты перехода (Кп) для цезия-137 в основные сельскохозяйственные культуры по сравнению с 1991 годом снизились в среднем в 1,5 раза и до 4 раз - по сравнению с 1987 г.. Для стронция-90 наблюдается устойчивая тенденция к повышению его перехода из почвы в растения. [31 , 39].

Установлено, что на кислых, малогумусированных почвах доля подвижных форм радионуклидов выше, чем на высокоплодородных. Поэтому по-прежнему целесообразны агрохимические меры, направленные на повышение плодородия почв, увеличение их емкости поглощения и снижение подвижности радионуклидов в почвенном комплексе.

Поведение стронция-90 в системе «почва-растение» имеет ряд отличительных особенностей. Поступление стронция-90 из почв в растения практически в 10 раз выше, чем цезия-137 при одинаковой плотности загрязнения земель.

Содержание радионуклидов в сельскохозяйственной продукции зависит как от плотности загрязнения, так и типа почв, их гранулометрического состава и агрохимических свойств, а также биологических особенностей возделываемых культур.

Показатели почвенного плодородия оказывают существенное влияние на накопление радионуклидов всеми сельскохозяйственными культурами, особенно многолетними травами.

При повышении содержания физической глины в почве от 5 до 30%, содержания гумуса от 1 до 3,5% переход радионуклидов в растения снижается в 1,5-2 раза, а по мере повышения содержания в почве подвижных форм калия и фосфора от низкого (менее 100 мг К2О на кг почвы) до оптимального (200-300 мг/кг) и изменения реакции почв от кислого интервала (рН 4,5-5,0) к нейтральному (рН6,5-7,0) - в 2-3 раза. Минимальный переход цезия-137 и стронция-90 в растения наблюдается на почвах с оптимальными параметрами агрохимических свойств [32 , 41].

Еще большее влияние на накопление радионуклидов в сельскохозяйственной продукции оказывает режим увлажнения почв. Установлено, что переход радиоцезия в многолетние травы повышается в 10-27 раз на дерново-глеевых и дерново-подзолисто-глеевых почвах по сравнению с автоморфными и временно-избыточно увлажняемыми разновидностями этих почв. Исследованиями БелНИИ мелиорации и луговодства установлено, что минимальное накопление цезия-137 в многолетних травах обеспечивается при поддержании уровня грунтовых вод на глубине 90-120 см от поверхности осушенных торфяных и торфяно-глеевых почв.

Установленные в исследованиях закономерности подтверждены практикой. На переувлажненных песчаных и торфяных почвах, например, в Наровлянском и Лельчицком районах Гомельской области, Столинском и Лунинецком районах Брестской области высокая степень загрязнения травяных кормов и молока наблюдается даже при относительно низких плотностях загрязнения цезием-137 (2-5 Ки/кв.км) и стронцием-90 (0,3-1,0 Ки/кв.км). В то же время на окультуренных участках дерново-подзолистых суглинистых почв продукция с допустимым содержанием радионуклидов может быть получена при плотности загрязнения цезием-137 до 20-30 Ки/кв.км [33 ,19 ].

Очевидно, что плотность загрязнения почв сельскохозяйственных угодий радионуклидами не может однозначно отражать уровень загрязнения выращиваемой сельскохозяйственной продукции и в настоящее время для разработки эффективных защитных мероприятий необходим учет основных свойств почв каждого поля.