Токсикология продуктов деления урана

При расщеплении урана в реакторе или при взрыве атом­ной бомбы образуется большое число радиоактивных изотопов, которые принято разделять на коротко- и долгоживущие, в зависимости от их периода полураспада. Наиболее важное ток­сикологическое значение имеют изотопы Sr, I, Cs, Ru, Y, Те, Zr, Nb, Ce, Pm. Продукты деления урана представляют токсикологическую опасность как отходы атомной промышленности и как продук­ты взрыва атомного оружия. Биологическое действие смеси продуктов деления урана зависит от их возраста и изотопного состава.

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов от Zn до Gd. Среди них содержатся равномерно распределяющие­ся радионуклиды, остеотропные, накапливающиеся в ретикуло-эндотелиальных тканях, клетках крови, щитовидной железе. РадионуклидыI,Sr, Cs, Са, Те обладают высокой всасываемостью. Такие нуклиды, как Се, Pm, Y,Zr, Nb, Np и Pu - плохо всасываются в организме.

Наибольшую опасность для организма представляют радионуклиды с высо­кой степенью резорбции и избирательным накоплением в жиз­ненно важных органах с большим эффективным периодом по­лувыведения. Наибольшее количество продуктов деления ура­на откладывается в печени и скелете. Путь поступления смеси продуктов деления урана не сказывается на их распределении в организме.

Стронций. В настоящее время известны изотопы от ^8lSrдо ⁹⁷Sr. Наиболь­ший интерес в токсикологии представляют ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, образующиеся при облучении урана в ядерных реакторах, а также при взрывах атомных бомб как продукты ядерного де­ления.

⁹⁰Sr – чистый β-излучатель с энергией β-частиц 0,54 МэВ и периодом полураспада 28,6 года. Дочерним продуктом распада ⁹⁰Sr является ⁹⁰Y, который находится вместе с ним в равновес­ном состоянии. Период полураспада ⁹⁰Y составляет 64,2 ч, мак­симальная энергия β-частиц 2,18 МэВ. ⁸⁹Sr также β-излуча­тель. Период полураспада его 53 сут, энергия β-частиц - 1,5 МэВ.

Стронций как стабильный микроэлемент постоянно присутст­вует в тканях и органах человека и животных. Стронций является химическим аналогом кальция.

При выпадениях на поверхность земли ⁹⁰Sr мигрирует по биологическим цепочкам и с продуктами растительного и жи­вотного происхождения может попадать в организм человека. Так же как и Са, ⁹⁰Sr хо­рошо всасывается в желудочно-кишечном тракте. Уровни всасывания стронция в ЖКТ колеблются в очень широких пределах и зависят от многих факторов, наибольшее значение из которых имеют: диета, фи­зико-химические свойства соединения, возраст животных и человека, функциональное состояние организма. Значительно большее всасывание строн­ция из кишечника молодых животных связано с более высокой потребностью организма в щелочноземельных элементах, необходимых для построения скелета.

Изотопы Sr имеют скелетный тип распределения. При лю­бом пути поступления в организм они избирательно отклады­ваются в костях. Депонирование Sr в мягких тканях составля­ет не более 1%. Распределение изотопов Sr в различных частях одной и той же кости и разных костях скелета неравномерное. Стронций откладывается в участках костей, обладаю­щих наибольшей зоной роста.

Микрораспределение Sr в костях сравнительно равномерное в минеральной части кости. Стронций кон­центрируется под эпифизарным хрящом, под эндостом в метафизарной области и под периостом в середине стволовой части кости, т.е. в тех участках, где происходит активное образование кости.

Выделение стронция из организма происходит с калом и мочой. При пероральном поступлении большая часть радио­нуклидов выделяется с калом, при ингаляционном - с мочой. Установлено несколько периодов полувыведе­ния стронция из организма. Короткие периоды полувыведе­ния характеризуют выведение стронция из мяг­ких тканей, длинные периоды - преимущест­венно выведение из костей.

Благодаря специфике отложения ⁹⁰Sr создаются такие усло­вия, когда облучается не весь организм, а преимущественно скелет и костный мозг. Патоморфологическая картина поражения ⁹⁰Sr характери­зуется уменьшением лимфоидных элементов в селезенке и лим­фатических узлах, наличием очагов некрозов в печени. В голов­ном мозге - отек, единичные кровоизлияния в коре. В почках - нерезко выраженные явления нефроза. В отдаленные сроки после поражения, как при однократном, так и длительном поступлении изотопа, у животных развива­ются лейкозы и опухоли костей. Наряду с остеосаркомами в отдаленные сроки при воздей­ствии ⁹⁰Sr развиваются новообразования желез внутренней секреции, опухоли гипофиза, молочных желез, яичников и дру­гих тканей.

ЦЕЗИЙ. В настоящее время известно несколько изотопов цезия, от ¹²⁵Cs до ¹⁴⁵Cs. Наибольшее практическое значение имеет ¹³⁷Cs - один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана. В продуктах деления урана содержится до 6% изотопов цезия.

¹³⁷Cs - смешанный β-, γ-излучатель, Е_β=0,51 МэВ (92%) и 1,17 МэВ (8%) с периодом полураспада 30 лет. Продукт распада ¹³⁷Cs - возбужденный ¹³⁷Ва с периодом полураспада 2,57 мин испускает γ-кванты, Еγ= 0,662 МэВ.

Испытания ядерного оружия послужили источником загряз­нения биосферы радиоактивными веществами. Содержание ¹³⁷Cs в смеси продуктов ядерного взрыва на дальнем следе через 7 суток после взрыва составляет в среднем 0,4%. ¹³⁷Cs со­держится в облученном ядерном горючем. Ядерная энергетика является источником выброса целого ряда радионуклидов, в том числе и ¹³⁷Cs. Выброс ¹³⁷Cs может происходить не только в атмосферу, но также и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками.

Изотопы цезия включаются в биологический круговорот и сво­бодно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время ¹³⁷Cs обнаруживается в организме различ­ных животных и человека. Стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в ко­личествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г мягкой ткани.

По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию. Радиоизотопы цезия применя­ются в химических исследованиях, в гамма-дефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. ¹³⁷Cs используется как источник γ-излучения для кон­тактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиа­ционной стерилизации.

Изотопы цезия при любом пути поступ­ления в организм хорошо всасываются. Всасывание ¹³⁷Cs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных участках ЖКТ всасывание ¹³⁷Cs происходит с различной скоростью: через час после вве­дения всасывается по отношению к введенной дозе: в желуд­ке -7%, в двенадцатиперстной кишке - 77%, в тощей - 76%, в подвздошной - 78%, в слепой - 13%, в поперечно-ободочной кишке - 39%.

Поступление ¹³⁷Cs через дыхательные пути в организм человека составляет 0,25% величины, поступающей с пищевым рационом. После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах кишечника. Попав в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по орга­нам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.

Выделение ¹³⁷Cs из организма происходит в основном через почки, причем в течение первого месяца опыта с мочой выде­ляется в 6-9 раз больше, чем с калом. За месяц выделяется до 80% ¹³⁷Cs по отношению к введенному количеству. При хроническом поступлении изотопа в организм после достижения равновесного состояния выделение ¹³⁷Cs с мочой и калом остается постоянным. Эффективный период полувыведения ¹³⁷Cs из организма мышей составляет 3, крыс - 18, морских свинок – 19 - 25, кроликов - 19 суток. По данным МКРЗ био­логический период полувыведения ¹³⁷Cs из организма человека составляет 70 суток.

Изотопы цезия обладают выраженным биологическим дей­ствием на организм животных. При подкожном введении ¹³⁷Cs крысам при кумуляции дозы 60 Зв у животных отмечалось: одышка, слабость, потеря аппетита, кровавый понос, кровянис­тые выделения из носа, снижение массы тела на 12 -19%.В крови у крыс наблюдалась лей­копения. Снижалось количество лимфоцитов и нейтрофилов, наблюда­лись резкие нарушения условно рефлекторной деятельности, изме­нение возбудительных и тормозных процессов, снижение ус­ловных рефлексов. Развитие защитного торможения переходи­ло в сон. Гистологические изменения в органах носили поли­морфный характер: наблюдались очаги некроза в печени, кровоизлияния в органы, отек мозга, нефроз почек. У собак в острой стадии поражения цезием развиваются некротические ангины, кровоизлияния в подкожную клетчатку, легкие, ЖКТ, изменения в кроветворных органах. У крыс при воздействии хронически эффективных доз наблюдаются воспа­лительные процессы в легких, ЖКТ, среднем ухе, атрофия се­менников.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС из реактора было выброшено 10% ¹³⁴Cs и 13% ¹³⁷Cs. Общее количество ¹³⁷Cs, выброшенного в атмосферу и осевшего на землю, состав­ляет приблизительно 3,7·10¹⁶ Бк. Загрязненные воздушные массы, содержавшие изотопы цезия, распространились на зна­чительные территории Белоруссии, Украины и России. Содержание изотопов цезия в пробах воздуха и грунта составляло от 1 до 20%. Содержа­ние ¹³⁷Cs в мясе (говядине) было на уровне 3,7·10³ Бк/кг— 3,7·10⁴ Бк/кг. ¹³⁷Cs до настоящего времени остается основным дозообразующим радионуклидом в пострадавших от аварии регионах.

В сентябре 1987г. в г. Гояни (Бразилия) произошел радиа­ционный инцидент, второй по серьезности после аварии в Чер­нобыле. Два молодых мусорщика продали сборщику утиля цилиндр из нержавеющей стали, который они изъяли из тера­певтической облучательской установки в заброшенной клини­ке. На свалке цилиндр разобрали. Внутри его находилась пла­тиновая капсула, которая была вскрыта. Она содержала яркий голубой порошок, который несколько человек взяли домой, привлеченные его красотой. Некоторые дети натирали им тело. Порошок оказался ¹³⁷Cs с общей активностью 51,8·10¹²Бк.Загрязнению подверглось 244 человека. Из них 54 - госпита­лизировано для дальнейшего контроля загрязнения или лече­ния; 34 человека вскоре были выписаны.

В 1962-79 гг. в Северной Аляске были измерены уровни концентрации ¹³⁷Cs в глобальных радиоактивных осадках в пищевой цепи лишайник-олень карибу-эскимос. Особен­но значительные радиоактивные осадки отмечались после крупных испытаний ядерного оружия в атмосфере, и из-за особенностей окружающей среды ¹³⁷Cs переходил по пищевой цепи в организм эскимосов с задержкой приблизительно в 2 года. Концентрация ¹³⁷Cs в пробах мяса карибу, взятых во время весеннего урожая, была в 4 раза выше, чем в лишай­нике из зимних пастбищ. Расчетное потребление эскимосами мяса зимой колебалось в пределах приблизительно от 1 кг в сут в 1964 г. до 0,16 кг в сут в 1977 г. Ряд факторов окру­жающей среды влиял на сезонность и на количество передвижения ¹³⁷Cs по пищевой цепи. Наибольшие концентрации ¹³⁷Cs отмечались в организме эскимосов в 1964 г., приблизительно 7,4·10² Бк на 1 кг массы тела, которая в настоящее время уменьшилась приблизительно до 1,85·10¹ Бк на 1 кг массы тела.