Геохимические проблемы радиоэкологии (иммобилизация радиоактивных отходов, миграция в природных средах и др.)

Радиоэкология – этораздел экологии,изучающий концентрацию и миграцию радиоактивных нуклидов в биосфере и влияние ионизирующих излучений на организмы, их популяции и сообщества – биоценозы.

Элементы радиоэкологии содержатся в работах по биогеохимии радиоактивных веществ В.И. Вернадского (20-е гг. XX в.), в монографии чешских ученых Ю. Стокласа и Ж. Пенкава «Биология радия и урана» (1932 г.). Окончательно радиоэкология сформировалась к середине 50-х гг. XX века в связи с созданием атомной промышленности и экспериментальными взрывами ядерных бомб, вызвавшими глобальное загрязнение окружающей среды радионуклидами стронция, цезия, плутония, углерода и др.

Радиоэкология обычно имеет дело с весьма малыми мощностями хронического внешнего и внутреннего облучения организма. В природных условиях организмы подвергаются облучению за счет естественного радиоактивного фона (космические лучи, излучения природных радионуклидов U, Ra, Th и др.), а также за счет радиоактивного загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Однако многие растения и животные способны накапливать в жизненно важных органах и тканях радионуклиды, что влияет на их миграцию в биосфере и приводит к значительному усилению внутреннего облучения организма. Повышенные дозы облучения, воздействуя на генетический аппарат клеток, приводят к возрастанию темпов наследственной изменчивости.

Более высокие дозы облучения понижают жизнеспособность организмов (вплоть до вымирания наиболее чувствительных к ионизирующим излучениям популяций) и тем самым вызывают изменение структуры биоценозов и обеднение межвидовых взаимоотношений в них. Выявление закономерностей, лежащих в основе этих процессов, имеет большое значение для ряда отраслей народного хозяйства.

Так, особый практический интерес представляют следующие изучаемые радиоэкологией проблемы:

-         миграция радионуклидов в пищевых цепях организмов (в том числе сельскохозяйственных животных и человека); обрыв или ослабление экологических связей;

-         дезактивация сельскохозяйственных земель, водоемов и  т.п., загрязненных радионуклидами;

-         поиск поверхностно залегающих месторождений радиоактивных руд (по радиоактивности растений-индикаторов);

-         выявление территорий суши и акваторий, загрязненных искусственными радионуклидами.

Многообразие практических аспектов радиоэкологии привело к ее подразделению на морскую, пресноводную, наземную (в т. ч. лесную, сельскохозяйственную), а также ветеринарную и граничащую с ней радиационную гигиену.

Результаты радиоэкологических исследований оказали большое влияние на принятие международных конвенций, направленных на ограничение испытаний ядерного оружия и отказ от его применения в условиях войны.

На основе рекомендаций радиоэкологии в промышленности разрабатываются и внедряются замкнутые циклы охлаждения ядерных реакторов, улавливатели радиоактивных аэрозолей, методы хранения и обезвреживания радиоактивных отходов, исключающие их попадание в окружающую среду.

В рамках рассматриваемой темы также необходимо дать понятие радиоактивного загрязнения окружающей среды – биосферы, литосферы и др.

Радиоактивное загрязнение биосферы – это попадание радиоактивных веществ (РВ) в живые организмы и среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву), происходящее в результате ядерных взрывов, захоронения радиоактивных отходов,разработки радиоактивных руд, аварий на атомных предприятиях и т.д.

Радиоактивное загрязнение вызывается продуктами деления ядер (например, 90Sr,137Cs, 144Ce), наведенными радиоактивными нуклидами (3H, 24Na, 59Fe, 60Co, 65Zn и др.), естественно-радиоактивными тяжелыми металлами (U, Th, Ra и др.) и искусственными трансурановыми элементами (Pu, Am, Cm и др.).

Величину радиоактивного загрязнения определяют методами радиохимии, радиометрии, спектрометрии и авторадиографии и количественно выражают в единицах радиоактивности (распады в секунду в 1 г ткани, nкюрu/м3воздуха или воды, мкюри/км2 суши или водоема).

Глобальное радиоактивное загрязнение составляло к 1973 более 1,5 Гкюри (гигакюри) в результате ядерных взрывов и более 5 Мкюри (мегакюри) – вследствие поступления в Мировой океан радиоактивных отходов. Наиболее загрязнены районы умеренных широт, особенно в Северном полушарии.

Попадая в реки, озера, моря и океаны, РВ поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей РВ переходят в зоопланктон, для которого водоросли служат пищей, а затем – в организм моллюсков, ракообразных, рыб. С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья РВ поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, – в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком – в организм человека (в частности, 90Sr, попадая в организм человека с овощами или молоком, может накапливаться в костной ткани, особенно у детей).

При поглощении РВ растениями или животными обычно происходит значительное повышение их концентрации в биологических объектах по сравнению с содержанием РВ в окружающей среде. Организмы, которые накапливают те или иные РВ в особенно высоких концентрациях, называют «биоиндикаторами радиоактивного заражения»; так, водоросль кладофора особенно интенсивно накапливает 91Y, а моллюск большой прудовик – 90Sr.

При переходе от одного организма к другому происходит изменение содержания РВ. Например, концентрация 137Cs возрастает в цепи лишайники – мышцы оленей – мышцы волков (30, 85 и 181 пкюри/г сухой массы соответственно), а концентрация 90Sr в этой же цепи уменьшается (7,2, 0,1 и 0,04 пкюри/г сухой массы).

На радиоактивное заражение различных элементов биосферы влияют химическая форма и физическое состояние РВ, температура и химический состав окружающей среды, а также другие факторы. Заключение в Москве «Договора о запрещении испытаний ядерного оружия 1963» в атмосфере, космосе и под водой способствовало уменьшению радиоактивного заражения. Вместе с тем возрастающая роль ядерной энергетики ставит новые проблемы защиты от радиоактивного заражения, связанные с возможным увеличением в окружающей среде искусственных РВ. Установлено, что хранение контейнеров с РВ на дне океанов не является надежным, поскольку такие контейнеры относительно быстро разрушаются. Уже в 1957 г. опыт Окриджской национальной лаборатории в США показал, что РВ, сброшенные в старые шахты, нередко мигрируют на значительные расстояния.

Выяснением экологической значимости разных уровней ионизирующей радиации и созданием научных основ рекомендаций по защите от вредных последствий радиоактивного заражения, включая составление прогнозов возможного нарушения структуры, продуктивности и самоочищения экосистем, занимается радиоэкология, а медицинскими аспектами радиоактивного заражениярадиационная гигиена. Координацию деятельности разных стран по предотвращению радиоактивного заражения осуществляет МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии).