ЕКОЛОГІЧНА БІОХІМІЯ - Навчальний посібник - В. М. Ісаєнко 2005

Розділ 9. РАДІОРЕЗИСТЕНТНІСТЬ ОРГАНІЗМІВ

9.1. Загальна характеристика явища радіоактивності, джерел і доз іонізуючої радіації

Атоми хімічних елементів прийнято позначати так: ^А_ZХ, де X— символ елемента; А— масове число; Z— атомний номер. Атоми з однаковими атомними номерами, але різними масовими числами, називають ізотопами.

Існують нестабільні ізотопи ядра яких після одного або кількох розпадів перетворюються в стабільні. Такі ізотопи називають радіоізотопами (або радіонуклідами), оскільки розпад їхніх ядер супроводжується радіоактивним випромінюванням, яке є іонізуючим.

На даний час відомо приблизно 1700 ізотопів, серед яких близько 270—стабільні, а інші 1430—радіоактивні.

Енергію випромінювання зазвичай виражають у електрон- вольтах (еВ). 1 еВ — це енергія, якої набуває частинка з одиничним електричним зарядом (зарядом електрона), що переміщуються в прискорювальному електричному полі між двома точками з різницею електричних потенціалів у 1 В. У СІ одиницею вимірювання енергії є Джоуль (Дж). Визначено, що 1 еВ ≈ 1,60219 • 10^-19 Дж. Існують величини, які відповідають 10³ еВ(КеВ) та 10⁶ еВ (МеВ).

Характеристикою радіоізотопів є період напіврозпаду (t_1/2) — час, за який кількість цього радіоізотопу зменшується вдвічі. Значення t_1/2 змінюється в широких межах. Так, для плюмбуму— 204 (²⁰⁴ ₈₂Рb) воно становить 10¹⁹ років, а для полонію — 212 (²⁰⁴ ₈₄Рb) — 3 • 10^-7 с.

Радіоізотопи також характеризуються активністю, тобто кількістю розпаду за одиницю часу. У СІ одиницею активності радіоізотопів є бекерель (Бк) — 1 розпад за 1 с, позасистемна одиниця активності радіоізотопів — кюрі (Кі): 1 Кі = 3,7 • 10¹⁰ Бк.

Радіоактивність, яка спостерігається в радіоізотопів, що існують у природі, називають природною. Штучною радіоактивністю є радіоактивність радіоізотопів, створених штучно, у результаті ядерних реакцій.

До природних джерел іонізуючої радіації належать: 1) поширені в земній корі радіоізотопи з моменту утворення Землі, а також продукти їхнього розпаду; 2) космічні промені (галактичне та сонячне випромінювання), що проникають крізь товщу атмосфери до поверхні Землі; 3) радіоізотопи, що безпосередньо утворилися під час взаємодії космічного випромінювання з атомами і молекулами атмосфери та земної кори; 4) ультрафіолетові промені, які є складовою випромінювання Сонця.

Штучні джерела іонізуючої радіації зумовлені людською діяльністю. їх поділяють на такі, що забруднюють, і такі, що не забруднюють довкілля радіоізотопами. До першої групи належать: 1) випромінювання ядерної зброї; 2) промислові ядерні вибухи; 3) підприємства атомної енергетики та їхнього паливного циклу (добування і збагачення урану, перероблення відпрацьованого ядерного палива, транспортування ядерного палива та відпрацьованих рештків); 4) промислові процеси, що збільшують кількість радіоізотопів на поверхні Землі (видобування та використання металевих руд, мінеральних добрив, вугілля, природного газу, нафти тощо); S) використання та перероблення радіоізотопів, що використовуються в медицині, промисловості, наукових дослідженнях.

До незабруднювальних джерел іонізуючої радіації антропогенного походження належать: 1) закриті джерела найрізноманітніших установок і приладів, що використовуються в медицині, промисловості, науці; 2) предмети широкого вжитку — споживчі товари, які містять закриті радіоактивні речовини або генерують іонізуюче випромінювання (радіолюмінісцентні речовини, електронна й електрична апаратура, антистатичні прилади, детектори газу та аерозолів, вироби сплавів, де є уран і торій, та ін.).

Істотну загрозу становлять викиди в результаті аварій на ядерних енергетичних установках, на підприємствах добування, збагачення й перероблення ядерного палива. Найбільшою такою аварією, що класифікується як глобальна екологічна катастрофа, є аварія на Чорнобильській АЕС 26 квітня 1986 р. Забруднення зазнали в Україні площі понад 380 тис. га, у Російській Федерації — 725 тис. га, Республіці Бєларусь — 1350 тис. га.

Основними видами іонізуючого випромінювання є; 1) α-випромінювання (потік ядер атомів гелію, ⁴₂Не²⁺); 2) β-випромінювання (потік електронів або позитронів); 3) γ-випромінювання (короткохвильове електромагнітне з довжиною хвилі <0,01 нм, яке виникає в разі зміни енергетичного стану атомних ядер, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду). Існують також нейтронне, мезонне, мюонне (мюмезонне), а отже — електронне (електронів за само- іонізації збуджених атомів під час перерозподілу в них енергії), швидких ядер у прискорювачах, рентгенівське електромагнітне (з довжиною хвилі 0,01—50 нм за гальмування електронів у певних металах) та інше випромінювання.

Ефект дії іонізуючих випромінювань на довкілля відображається в понятті «доза». Так, для фотонного (ультрафіолетового, рентгенівського й у-випромінювання) визначають експозиційну дозу— відношення сумарного заряду всіх іонів одного знаку, створених у повітрі вторинними електронами та позитронами, які сформувалися в елементарному об’ємі за їх повного гальмування, до маси повітря в зазначеному об’ємі. Одиницею вимірювання експозиційної дози в СІ є кулон на кілограм (Кл/кг). Позасистемною одиницею є рентген (Р): 1 Р = 2,58 • КГ⁴ Кл/кг.

Поглинна доза — це відношення середньої енергії, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі, до маси речовини в цьому об’ємі. Одиницею вимірювання поглинної дози в СІ є грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Основною характеристикою дії іонізуючого випромінювання на живі організми є еквівалентна доза. Її введення зумовлено тим, що радіаційно індуковані ефекти залежать не тільки від кількості переданої енергії, а й від виду та енергії випромінювання. Еквівалентну дозу визначають як добуток поглинутої дози на радіаційно зважуючий фактор (Wr).Цей фактор показує, у скільки разів радіаційна небезпека для певного виду випромінювання та його енергії вищі, ніж за зразкового випромінювання за однакової поглинної дози. Зразковим випромінюванням беруть рентгенівське випромінювання з граничною енергією фотонів 250 КеВ. Значення Wr залежно від виду випромінювання та його енергії змінюється в межах від 1 до 20. Так, наприклад, для рентгенівського, γ-, β-, мюонів випромінювання всіх енергій значення Wr дорівнює 1, а α-випромінювання з енергією менше 10 МеВ, нейтронів з енергією від 100 КеВ до 2 МеВ; важких ядер віддачі — 20.

У СІ одиницею вимірювання еквівалент дози є зіверт (Зв): 1 Зв = 1 Гр • W_R = 100 бер.

Основною величиною, яка характеризує передавання енергії іонізуючого випромінювання речовині, є лінійне передавання енергії (ЛПЕ) — відношення кількості переданої енергії до довжини треку (шляху проходження випромінювання в речовині). Одиницею вимірювання лінійного передавання енергії є: [ЛПЕ] = 1 Дж/м. Позасистемна одиниця ЛПЕ — еВ/нм.

Мірою дії іонізуючого випромінювання є летальна доза (ЛД₁₀₀) в одиницях вимірювання поглинної чи еквівалентної дози, за якої гине 100 % опромінених організмів (клітин) за певний час, неоднаковий для різних організмів. Традиційно радіостійкість характеризують також напівлегальною дозою ЛД₅₀ (50 % опромінених організмів гине за певний для кожного виду тварин час), ЛД₇₀ (гине 70 %), ЛД₉₀ (гине 90 %). Користуються також поняттям Д₀. Якщо дозова крива (залежність виживання клітин від дози) становить собою лінію, без «плеча» в діапазоні низьких доз, то Д₀ відповідає Д₃₇, тобто дозі, за якої виживає 37 % опромінених клітин. Якщо дозова крива становить експоненціальну залежність із «плечем», то Д₀ = Д₃7 лише в експоненціальній частині.

Дози Д₀, ЛД₅₀, ЛД₇₀, ЛД₉₀, ЛД₁₀₀ використовують як показники радіостійкості опромінених організмів.

Радіоактивні елементи впливають на живі організми як хімічні елементи (у вигляді іонів або у складі молекул) та як джерела іонізуючого випромінювання. Аварії на ядерних паливно-енергетичних комплексах, випробовування ядерної та термоядерної зброї або її використання можуть призвести до значного локального підвищення вмісту радіоізотопів у довкіллі як хімічних елементів. Проте їх вміст не виходить за межі вмісту в нерадіоактивних хімічних сполуках у природному середовищі. Тому як хімічні елементи радіоізотопи та молекули, що їх містять, не проявляють істотної біологічної дії. У цьому разі їхній основний вплив на життєдіяльність організмів зумовлений випромінюванням.

Радіоізотопи впливають на організми двома способами: 1)як джерело зовнішнього випромінювання; 2) як джерело внутрішнього опромінювання (інкорпорованого), якщо вони потрапляють в організм і зосереджуються в тканинах та їхніх клітинах. За відсутності всмоктування радіоізотопів вони впливають на травний канал, проходячи його транзитом.

Питомий внесок внутрішнього та зовнішнього опромінення залежить від розміру об’єкта, який поглинає радіонукліди, та коефіцієнта їх нагромадження тканинами й клітинами. Це необхідно враховувати, визначаючи дози іонізуючої радіації та можливий її вплив на організми.