Загрязнение атмосферы радиоактивными веществами

Эффекты радиоактивного загрязнения атмосферы

В изучении влияния радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха па человека и окружающую его среду наибольший интерес, очевидно, представляет действие загрязнения на человека. Поэтому первая часть этого раздела посвящена радиотоксикологии, а остальная -основным вопросам установления предельно допустимых доз радиации.

Радиотоксикология

Основные принципы радиобиологии

Чтобы облегчить понимание эффектов загрязнения атмосферы радиоактивными веществами, необходимо вспомнить основные принципы, на которых основано биологическое действие ионизирующей радиации.

Любой радиобиологический эффект обусловливается передачей энергии радиоактивных излучений живой материи. Наиболее важными факторами, определяющими причинно-следственные отношения между действием радиации и результатом облучения, являются следующие.

Количество освобождающейся энергии. Ясно, что конечный биологический эффект зависит от количества энергии, освобожденной излучениями в тканях. Однако здесь не всегда наблюдается простая линейная зависимость. Более того, учет только количественного аспекта облучения недостаточен для объяснения всех возникающих явлений.

Топографическое распределение. Топографическое распределение энергии, освобождающейся в организме, является существенным фактором, так как одинаковое количество энергии вызовет совершенно различные эффекты в зависимости от того, будет ли оно сконцентрировано, или распределится по всему телу.

Фактор времени. В ряде случаев, однако далеко не во всех, решающую роль играет период, за который данное количество энергии сообщается организму. Эффект, вызываемый данным количеством энергии, будет тем больше, чем короче период ее действия.

Вид излучения. При одинаковом количестве энергии, освобождающейся в идентичных условиях пространства и времени, разные виды излучений могут вызывать весьма различные биологические эффекты. Вообще говоря, относительная биологическая эффективность любого данного вида излучения является функцией плотности ионизации, присущей составляющим излучение частицам (па-пример, альфа-лучи более токсичны, чем бета-лучи).

Природа тканей. При прочих равных условиях одинаковое количество энергии, поглощенное двумя различными видами тканей организма, может вызвать различные эффекты.

Чувствительность разных тканей к излучениям неодинакова: наиболее чувствительные называются критическими тканями или органами (система кроветворения, слизистая оболочка пищеварительного тракта, кожа, половые железы). Все сказанное свидетельствует о том, что понятие "доза облучения" является весьма сложным и связано с определенным количеством энергии, освобождающейся в данном объекте в течение данного отрезка времени; необходимо учитывать также вид излучения и характер облученной ткани.

Единицей, употребляемой для обозначения поглощенной дозы, является "рад", что соответствует освобождению 100 эргов на грамм облученного вещества. Принимая в расчет и вид излучения, поглощенную дозу можно выражать также в ремах. Эта величину получается при умножении дозы, выраженной в радах, па относительную биологическую эффективность данного вида излучения.

Основные принципы радиопатологии

Радиопатология изучает патологические результаты влияния ионизирующей радиации па здоровье человека. Эти патологические эффекты подчиняются тем же самым законам, которые уже были описаны для общебиологических эффектов радиации. Здесь полезно' рассмотреть некоторые общие характерные черты, присущие патологическим эффектам.

Полиморфизм. Действие радиации на организм может сопровождаться возникновением крайне разнообразных эффектов: функциональными нарушениями, такими, как эритема или гипофункция желез внутренней секреции; морфологическими изменениями, такими, как фиброз соединительной ткани или анемия; злокачественными образованиями, как эпителиома, саркома или лейкемия; сокращением продолжительности жизни и преждевременным старением, а также генетическими последствиями. Эти нарушения можно грубо подразделить на соматические эффекты, которые проявляются у самого облученного индивидуума, и генетические эффекты, которые проявляются у его потомства.

Латентный период проявлений. Одной из наиболее общих черт, характерных для упомянутых выше эффектов, является то, что они проявляются лишь через более пли менее длительный период. В случаях острого облучения этот латентный период может не превышать нескольких дней или даже часов. В случаях острого облучения латентный период исчисляется несколькими педелями. Что касается канцерогенных влияний, то между облучением и появлением рака может пройти несколько лет или даже десятилетии. Эти отдаленные последствия еще более заметны в области генетики; повреждения доминантных генов могут выявиться уже в первом поколении, но повреждения рецессивных генов могут долго оставаться скрытыми и выявиться лишь через несколько поколении. Принято различать ранние (доброкачественные функциональные и морфологические изменения) и поздние эффекты (сокращение продолжительности жизни, образование злокачественных опухолей и генетические мутации).

Вероятность появления признаков. Вероятность появления патологических изменений после данной дозы облучения определяется отношением между дозой и эффектом. Для функциональных сдвигов и легких морфологических повреждений почти всегда можно установить пороговую дозу, ниже которой эти симптомы еще не проявляются. Тем не менее, даже очень малые дозы могут вызвать сокращение продолжительности жизни и значительное учащение случаев лейкемий и генетических мутаций; при этом с увеличением полученной дозы повышается частота этих нарушений. Следовательно, в настоящее время можно сделать вывод, что между поглощенной дозой и получаемым эффектом, хотя бы в определенных пределах, существует линейная зависимость.

Обратимость. При очень большом числе функциональных сдвигов и легких морфологических повреждений клетки и ткани сохраняют способность к частичному или полному восстановлению своей структуры и функции. Полная обратимость (при достаточно низкой величине поглощенной дозы) особенно характерна для тех незначительных функциональных сдвигов, которые возникают при хроническом действии излучений. Однако морфологические повреждения, как правило, обладают лишь частичной обратимостью, а возникновение опухолей и генетические мутации совершенно необратимы.

Наследуемость. Наследуемость является существенным признаком повреждений, связанных с мутацией генов. Однако этим признаком могут обладать, и нарушения в соматических клетках, особенно в случае рака. С другой стороны, функциональные и легкие морфологические нарушения не передаются по наследству.

Таковы общие черты, которыми определяется тяжесть патологических эффектов облучения. Необратимые и передающиеся по наследству поражения являются наиболее серьезными; отсутствие пороговой дозы и длительный латентный период значительно увеличивают их неблагоприятные свойства. Функциональные нарушения и морфологические изменения, такие, как ожоги кожи и тяжелая анемия, часто представляются неспециалисту более серьезными явлениями, чем, например, лейкемия или генетические мутации. Но именно они представляют большую опасность для здоровья населения.

Типы воздействия

Существует два основных типа облучения организма; воздействие радиации от источников на расстоянии и загрязнение радиоактивными веществами, попавшими на кожу или внутрь организма.

Оба типа облучения могут быть следствием загрязнения атмосферы радиоактивными веществами, но в различной степени.

Внешнее облучение может возникнуть лишь в случае загрязнения внешней среды радиоактивными изотопами, испускающими гамма-лучи; при этом каждый взвешенный в воздухе атом представляет собой источник внешнего облучения. Примерами таких источников внешнего облучения являются твердые продукты распада радона, суспензированные в воздухе, и радиоактивные газы, такие, как А41.

Наиболее серьезную опасность, однако, представляют загрязнения радиоактивными веществами. Они могут быть либо внешними, либо внутренними.

Внешнее загрязнение возникает при оседании суспензированных в атмосфере частиц на поверхность кожи. В результате может произойти облучение кожи, облучение всего организма в случае гамма-излучения, или внутреннее загрязнение через дыхательный или пищеварительный тракт, когда частицы не прилипают очень плотно к коже.

Попадание радиоактивных загрязнений в организм через дыхательный тракт является прямым путем, а также наиболее частым и важным. Загрязнение через пищеварительный тракт является косвенным, возникающим вторично после загрязнения пищевых продуктов или иногда после загрязнения кожи и дыхательных путей. Проникновение радиоактивных веществ через кожу происходит лишь в исключительных случаях и обычно только после нарушения ее целости.

Вообще лица, занятые на предприятиях атомной промышленности, и остальное население подвергаются различным типам воздействия. Основную опасность для первых представляют загрязнения кожи и дыхательных путей, а для второго - прямое воздействие от радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, и косвенное - через пищеварительный тракт. Однако опасность, которой подвергается широкое население, меньше, чем та, которая грозит рабочим специальных предприятий.

Обмен радиоактивных веществ

За исключением относительно редких случаев общего облучения от внешних источников (окружающая гамма-радиация), токсичность радиоактивных веществ определяется метаболическими процессами, в которые они вовлекаются.

В случае загрязнения радиоактивными веществами их действие определяется путем проникновения радиоактивных изотопов внутрь организма, их распределением и фиксацией в организме, а также способом выведения их из организма. Как уже было показано, помимо обычных физических и химических свойств, радиоактивные изотопы обладают специфическими свойствами, связанными с нестабильностью ядра их атомов - они распадаются и испускают излучения определенного вида и энергии. Очевидно, метаболические процессы, в которые вовлекаются радиоактивные изотопы, определяются исключительно их физико-химическими свойствами, тогда как патологические проявления действия зависят от их радиоактивных свойств.

При оценке поглощенной организмом дозы необходимо учитывать не только количество попавших внутрь радиоактивных изотопов, но также и распределение их в организме и продолжительность воздействия, равно как и природу излучений и чувствительность тканей к ним.

Пространственно-временное распределение источников ионизирующего облучения в организме является очень сложным феноменом и определяется рядом свойств радиоактивных изотопов.

Так, первоначальное топографическое распределение связано с физическим состоянием и химическими свойствами носителя радиоактивности, например, нерастворимые аэрозоли оседают па слизистой оболочке дыхательных путей, а газы или растворимые продукты распределяются по всему организму и затем уже фиксируются органами, к которым они обладают преимущественным сродством.

На это первичное распределение источников излучения накладывается вторичное распределение, которое зависит от природы и энергии излучаемых частиц. Например, в случае попадания в организм альфа-излучателей облучению подвергаются очень небольшие участки тканей, длиной в несколько микронов, в случае бета-излучателей возникает локальное облучение протяженностью в несколько миллиметров, в случае гамма-излучателей - региональное или общее облучение. Точно так же продолжительность воздействия радиации определяется, прежде всего, физико-химическими свойствами радиоактивного изотопа, которые предварительно оцениваются как "биологический период полувыведения". Этот период, представляет собой время, необходимое для выведения половины: радиоактивного изотопа из данного органа или из всего организма. Например, элементы с коротким кругооборотом, такие, как фосфор и натрий, можно противопоставить элементам, отлагающимся на длительное время в организме, таким, как стронций и плутоний. Во-вторых, продолжительность воздействия зависит от скорости распада радиоактивного изотопа, которая характеризуется обычно периодом полураспада, т. е. временем, необходимым для того, чтобы распалась половина атомов радиоактивного элемента. Здесь снова радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада такие, как Na24 и Р32, могут быть противопоставлены изотопам, имеющим длительный период полураспада, таким, как Sr⁹⁰.

Взаимодействие физико-химических и радиоактивных свойств приводит, в конце концов, к сложному топографическому распределению радиоактивности в организме и к продолжительности воздействия, которая выражается "эффективным периодом полувыведения" или результирующей биологического периода полувыведения и физического периода полураспада радиоактивного изотопа.

Токсикологическая классификация

Из предшествующего рассмотрения вопроса следует, что радиоактивные изотопы по своим токсическим свойствам могут быть разделены соответственно обширности и тяжести вызываемых ими повреждений. Совершенная классификация должна бы основываться на сравнении токсичности радиоактивных изотопов, присутствующих в различных физико-химических формах. Однако работа над этим вопросом только начинается и токсикологическая классификация в большинстве случаев основывается только па радиоактивных изотопах, находящихся в растворимом, легкоусвояемом и способном к диффузии виде.

Сравнительная токсичность радиоактивных изотопов зависит, как от их физико-химических, так и от радиоактивных свойств, т.е. от их химических свойств, основных метаболических эффектов, биологического периода полувыведения, физического периода полураспада, а также от вида и энергии испускаемых излучений. В общем можно сказать, что наиболее опасными радиоактивными изотопами являются те, которые, кроме избирательного сродства; к особо радиочувствительным тканям, имеют длительный биологический период полувыведения, длительный физический период полураспада, и особенно высокую плотность ионизации. Так Na24 и Р32 обладают сравнительно низкой токсичностью, поскольку они распределяются в организме относительно равномерно, обладают коротким биологическим периодом полувыведения и физическим периодом полураспада и являются бета-излучателями. Sr⁹⁰ и Ри²³⁹, наоборот, являются чрезвычайно токсичными, потому что они избирательно отлагаются в костях, способствуя облучению особо чувствительного к радиации костного мозга, а их периоды полувыведения и полураспада очень длительны. Кроме того, плутоний, будучи альфа-излучателем, является более токсичным, чем стронций, который представляет собой бета-излучатель.

Предельно допустимые дозы

Первоочередной задачей, с которой встречаются органы здравоохранения, является установление предельно допустимых уровней радиоактивного загрязнения атмосферы. Для облегчения понимания этой проблемы первоначально будут рассмотрены вопросы установления предельно допустимых доз радиации вообще, тогда задачу определения предельно допустимых уровней радиоактивного загрязнения атмосферы можно будет рассматривать просто как частный случай воздействия радиации.

Основные соображения

Прежде чем устанавливать предельно допустимые дозы, необходимо решить вопрос о том, можно ли считать даже малые количества радиоактивности безвредными, толерантными или допустимыми. Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, принимаются ли во внимание соматические или генетические эффекты облучения.

Соматические эффекты. С этой точки зрения уровень радиации может считаться допустимым, если в течение всей жизни индивидуума не отмечалось каких-либо проявлений вредного действия радиации. Если обратимые и не передающиеся по наследству изменения наступают только при превышении какой-то пороговой дозы, то, учитывая естественные защитные силы организма, эту пороговую дозу можно взять как предельно допустимый уровень. С другой стороны, если необратимые сдвиги наступают независимо от дозы, то невозможно говорить о каком-то допустимом уровне радиации (см. ниже). Эта аргументация применяется и в отношении генетических эффектов радиации.

Генетические эффекты. Учитывая необратимость и наследуемость этих изменений и в особенности существование линейной зависимости между дозой и эффектом, можно считать, что почти любая доза радиации приведет к генетическим поражениям. Тем не менее даже и в отношении генетических эффектов можно установить переносимую дозу, если, с одной стороны, частота мутаций лишь не намного превышает спонтанную, а, с другой стороны, облучению подвергается только небольшая часть населения.

Методы определения предельно допустимых уровней

Таким образом, предельно допустимые уровни радиации можно определить двояким путем: а) фиксируя предельно допустимую пороговую дозу, соответствующую появлению легких соматических эффектов, и б) в случае появления рака или генетических мутаций, сравнивая увеличение частоты этих признаков со спонтанной частотой или с той, которая существует при других вредных воздействиях современной жизни.

Первый метод обычно используется Международной комиссией по защите от радиоактивных излучений, чтобы установить предельно допустимый уровень для тех лиц, для которых радиация представляет собой профессиональную вредность, т. е. такой уровень радиоактивности, который не может причинить сколько-нибудь заметных повреждений лицам, работающим в атомной промышленности, на протяжении всей их жизни.

Второй метод служит основой для установления предельно допустимых уровней для всего населения в целом, т. е. таких уровней радиоактивности, которые, по мнению комиссии, должны вызывать лишь весьма незначительное учащение случаев лейкемии и генетических мутаций. В этом смысле слова "весьма незначительное" следует понимать как равное частоте случаев естественно встречающейся лейкемии и мутациям.

При установлении предельно допустимых уровней радиации опираются на следующие три типа данных: фоновый уровень естественной радиоактивности, результаты экспериментов на животных и наблюдения на людях.

1) Фон естественной радиации. Человек всегда подвергается действию фонового уровня естественной радиации, создаваемого космическими лучами и радиоактивными изотопами, присутствующими в почве (уран, торий), воде (радий) и атмосфере (радон), а также содержащимися в организме человека (К40 и С14). Установлено, что население земного шара постоянно подвергается действию естественного облучения в дозе 100 и 150 мбэр ежегодно, с локальными или сезонными колебаниями. Эта доза может, таким образом, служить ориентиром для установления предельно допустимого уровня для всего населения.

2) Эксперименты на животных. Эксперименты па животных, особенно на млекопитающих, способствовали накоплению огромного материала о соматических эффектах ионизирующей радиации. Получены также данные о возникновении опухолей и генетических мутаций у животных, но эти результаты трудней, интерпретировать, хотя они позволяют все более и более точно определить дозу, удваивающую частоту этих явлений. Однако при перенесении этих данных на человека следует соблюдать величайшую осторожность.

3) Наблюдения на людях. Особенное значение имеют данные, полученные при наблюдениях на людях. Такие наблюдения проводились на больных, прошедших курс радиотерапии или леченных радиоактивными изотопами, на рабочих, подвергшихся воздействию ионизирующей радиации или отравившихся радиоактивными веществами, особенно радием; на жертвах взрыва атомной бомбы в Хиросиме и Нагасаки. Во многих случаях эти данные согласуются с результатами экспериментов на животных.