5.7. Атомная энергетика – источник радионуклидного загрязнения окружающей среды

Основами современного сельского хозяйства (в т.ч. земледелия) является экологическая безопасность, социальная и экономическая целесообразность, которые приобретают особую значимость в условиях загрязнения среды обитания. Атомная энергетика, несмотря на то, что считается относительно чистым производством, таит в себе огромную опасность при авариях. В таких случаях в окружающую природную среду выбрасывается большое количество радиоактивных продуктов, которые воздушными потоками разносятся на сотни и даже тысячи километров. Так, например, при аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.) первые сутки после аварии радиоактивные аэрозоли в атмосфере были обнаружены в странах Европы, Китая, Японии, США и Канады. Повышение уровня загрязнения наблюдали в странах Центральной и Западной Европы, в Альпах, в Карпатах, на Балканах и в некоторых странах Скандинавии. Площадь загрязнения составила 20 % территории Европы (2 млн км ²).

По оценкам специалистов, из реактора было выброшено 100 % инертных газов, 50–60 % радионуклидов йода (около 1,810 ¹⁸ Бк йода –131), 30–40 % нуклидов цезия–137 и 4–6 % – стронция – 90 от общего их числа в активной зоне (примерно 0,0910¹⁸ Бк ¹³⁷Cs). Всего было выброшено около 3,5 % от общего количества радионуклидов, которое содержалось в реакторе, что составило 12∙10¹⁸ Бк, включая 6–7∙10¹⁸ Бк инертных газов (Б.С. Пристер, 1999). Поступление цезия-137 с пищевыми продуктами обеспечивало ещё до 70–80% общей дополнительной дозы облучения населения.

Необходимо отметить особенности экологической обстановки во время Чернобыльской аварии, которые значительно усугубили тяжесть техногенной катастрофы:

1) радиоактивному загрязнению больших уровней подверглись территории с развитым сельским хозяйством (скотоводством молочного и мясного направлений); население же этих территорий пострадало в основном от радионуклидного воздействия;

2) эндемические особенности территории Полесья представлены лесными и луговыми, часто заболоченными ландшафтами, сформированными на лугово-болотных и торфяно-болотных почвенных разностях, которые обладают низкой способностью связывать радионуклиды;

3) катастрофа произошла в пастбищный сезон, когда крупный рогатый и мелкий скот находился на пастбище и в максимальной степени был подвержен воздействию всех факторов: поверхностному загрязнению и облучению кожных покровов, ингаляционному и внутреннему поступлению радионуклидов.

Попадая в окружающую среду, радиоактивные вещества становятся источником внешнего облучения живых организмов, а потребление содержащих радионуклиды сельскохозяйственных продуктов приводит к формированию источника внутреннего облучения человека и животных из-за накопления радиоактивных веществ в организме. В различных радиологических ситуациях, связанных с поступлением радионуклидов в природную среду, именно внутреннее облучение является основным фактором в суммарной составляющей облучения человека и животных. О количестве радионуклидов в источнике судят по их активности, единицей которой является беккерель (1Бк=1с^-1), в сельскохозяйственной радиологии широко используют кюри (1Ки = 3,7∙10¹⁰ Бк). Присутствующие в сельскохозяйственной сфере радионуклиды разделяют на две категории – естественные и искусственные. К группе естественных относят природный радиационный фон радионуклидов с очень длительным периодом полураспада, содержащихся в составе Земли с момента её образования. Наиболее важными среди них считают калий (⁴⁰К), естественные тяжелые металлы: уран (²³⁸U), торий (²³²Th) и другие, а также продукты их распада (Р.М. Алексахин, 1982). Кроме того, биогенно значимые естественные радионуклиды поступают на землю из атмосферы (³Н, ¹⁴С и т.д.). Существуют также искусственные – радионуклиды техногенного происхождения. Наиболее опасными для сельскохозяйственного производства считаются продукты радиационного распада, которые получаются при делении ядер урана и плутония, а также стронций (⁹⁰Sr), йод (¹³¹J), цезий (¹³⁷Cs) и другие, в том числе нуклиды с наведенной активностью (марганец (⁵⁴Mn), железо (^59/59Fe), кобальт (⁶⁰Co), цинк (⁶⁵Zn и др.) и трансурановые радионуклиды плутония -239, америция-241.

Источниками поступления техногенных радионуклидов в агроэкосистему и вообще в биосферу являются остаточные количества долгоживущих радионуклидов в результате испытаний ядерного оружия, а также сбросов и выбросов радионуклидов при работе атомных электростанций и других предприятий ядерно-топливного цикла.

В зависимости от влияния ионизирующих излучений на организм человека установлены следующие категории лиц, подвергающихся облучению. Категория А – лица, которые постоянно или временно непосредственно работают с источниками ионизирующих излучений. Категория Б – лица, которые не работают непосредственно с источниками излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию радиоактивных веществ и других источников излучения, применяемых в учреждении.

В зависимости от радиочувствительности установлены три группы критических органов и тканей человека:

• все тело, гонады и красный костный мозг;

• мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, селезенка, почки, желудочно-кишечный тракт, легкие и другие органы;

• кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, лодыжки и стопы.

В качестве основных дозовых пределов в зависимости от группы критических органов для лиц категорий А устанавливается своя предельная допустимая доза (ПДД) за год, а для лиц категорий Б – свой предел допустимой дозы (ПДД) за этот же период (табл. 5.17).

Таблица 5.17. Дозовые пределы облучения

Особую опасность представляет халатное отношение к хранению радиоактивных отходов на предприятиях, в результате чего они поступают в окружающую среду и включаются в миграцию по источникам питания. Серьезным источником техногенных радионуклидов для окружающей природной среды явились крупные радиационные аварии в атомной промышленности и ядерной энергетике: на южном Урале (1954 г.), в Уиндскейле (Англия) (1957 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.) и в Японии (2011 г.). Интенсивная химизация сельского хозяйства также ведет к увеличению содержания радионуклидов в почве, так как некоторые минеральные удобрения (особенно фосфорные) «обогащают» её ураном-238 и теллуром-232 и дочерними продуктами их распада. Скорость миграции радиоактивных веществ по пищевым цепям можно представить в таком порядке: радиоактивное вещество → почва → растение → животное → человек. Миграция их определяется в большей степени свойствами почв и радионуклидов, а также биологическими особенностями растений. Верхний слой почвы, находящийся на пересечении всех миграционных путей химических элементов, является основным аккумулятором техногенных загрязнителей, их активным преобразователем и интегральным индикатором состояния наземных эко- и агроэкосистем в связи с их загрязнением. Именно в педасфере (в верхнем слое почвы) начинается миграция радионуклидов как в малом, так и в большом биологическом круговороте веществ. Сельскохозяйственное воздействие человека на агроландшафты во многом способствует усилению пестроты и почвенного покрова, способствуя его экологически безопасному использованию. При попадании радионуклидов в почву часть их закрепляется в почвенно-поглощающем комплексе, а часть находится в почвенном растворе. Растения, извлекая из почвенного раствора питательные вещества, частично поглощают корневой системой и радионуклиды. Интенсивность поступления их в растение зависит от содержания носителей радионуклидов. Это, прежде всего, относится к двум основным долгоживущим искусственным радионуклидам – стронцию-90 и цезию-137, основными неизотопными носителями которых являются биологически важные макроэлементы – кальций и калий. В системе почва – растение акцептором (получателем) является растение, а донором – почва.

Радионуклиды в растения могут поступать в результате подъема ветром с почвенного покрова как самих радиоактивных частиц, так и загрязненных частиц почвы. Это явление называют еще вторичным радиоактивным загрязнением растений. Такой путь поступления в растения особенно важен для тех радионуклидов, которые прочно фиксируются почвой и слабо накапливаются при корневом поглощении. Накопление растениями радионуклидов, поступающих из почвы, зависит от следующих факторов: физико-химических свойств радионуклидов, физико-химических свойств почвы, биологических особенностей и агротехники культур. Как правило, чем выше в почве содержание гумусовых веществ, обменных катионов, илистой и глинистой фракций, тем слабее поглощение растениями многих радионуклидов из почвы (табл. 5.18).

Таблица 5.18. Коэффициенты перехода стронция -90 в некоторые культуры из разных типов почв ( Кп = (Бк/кг) / (кБк /м²) [данные ВНИИ с/х радиологии и агроэкологии]

Наиболее важным защитным мероприятием в кормопроизводстве в первый период после аварии является окультуривание естественных и малопродуктивных пастбищ. Перепашка естественных сенокосов и малопродуктивных пастбищ, внесение органического и минерального удобрения и проведение известкования обеспечили снижение содержания цезия-137 в кормах в среднем в 3–4 раза. При этом своевременное и полное проведение защитных мероприятий минимизирует переход цезия-137 в урожай, а прекращение данных мероприятий приводит к увеличению поступления радионуклида в растение. Отличительная особенность миграции цезия-137 в системе почва–растение–продукция животноводства–человек – исключительно высокая мобильность этого радионуклида в регионах распространения легких по гранулометрическому составу песчаных и супесчаных почв, а также почв подзолистого и болотного типов.

Низкие значения рН почвенного раствора данных почв, обогащенность органическим веществом (торфяники), малое содержание глинистых минералов, слабая гидроморфность, невысокая поглотительная способность твердой фазы предопределяют очень большие коэффициенты перехода цезия-137 из почвы в растения (в 5–10 и более раз выше, чем на почвах суглинистого и глинистого состава, обогащенных элементами минерального питания). Пищевыми продуктами, с которыми радионуклиды поступают в организм человека, являются продукты животноводства (молоко, мясо), они считаются также и основными источниками дополнительного внутреннего облучения. Цезий-137 переходит в организм человека в основном с продуктами животноводства: с молоком – 58 %, а с мясом и мясопродуктами – до 26 % от потребленного рациона.

Биологическая доступность цезия-137 из рационов с возрастом животных уменьшается. Если величина перехода радионуклида в 1 кг мышечной ткани телят раннего периода развития составляет 37,6%, то у взрослых животных она в 9,4 раза меньше. Под воздействием ионизирующих излучений затрагивается структура ДНК и РНК, в облученных клетках происходят изменения в обмене веществ. Биологические процессы, инициированные облучением растений, связаны с множеством обменных реакций в делящихся специализированных клетках. Изменения под влиянием облучения, происходящие на клеточном уровне, в дальнейшем проявляются на уровне всего организма и фитоценоза. В облученном фитоценозе отмечается выпадение наиболее радиочувствительных видов растений, изменение числа растений и запасов фитомассы на единицу площади, нарушение нормальных сукцессионных процессов и т.д. Для большинства сельскохозяйственных культур облучение, вызывающее гибель 50–70% растений, приводит к полной потере их продуктивности. Поэтому для характеристики устойчивости растений в снижении продуктивности при облучении применяют символ УД₅₀, который соответствует дозе, вызывающей потери урожайности на 50% и более (табл. 5.19), Филипс и др., 1992 г.). Источниками внешнего облучения животных являются радионуклиды, рассредоточенные в различных компонентах окружающей природной среды, а источниками внутреннего облучения служат инкорпорированные радионуклиды, поступившие в организм животных с кормом и водой, с воздухом и через кожные покровы.

Таблица 5.19. Средние УД₅₀ для зерновых культур при гамма облучении вегетирующих растений, Гр. (1 Гр. = 1 Дж/кг)

У сельскохозяйственных животных по степени тяжести различают 4 формы острой лучевой болезни – легкую (доза облучения 1,5–2,0 Гр), среднюю (2,5–4,0 Гр), тяжелую (4–6 Гр) и очень тяжелую (более 6 Гр). При дозе 7–8 Гр все животные погибают (Р.М. Алексахин, 1982).

Разработку защитных мероприятий в агропромышленном комплексе на загрязненных радиоактивными веществами территориях можно разделить на следующие виды: традиционные (обычные) и специальные. При использовании традиционных мероприятий одновременно достигаются следующие цели: увеличение плодородия почв, рост урожайности, увеличение качества продукции растениеводства и возрастание продуктивности животноводства при снижении концентрации радионуклидов. При введении специальных мероприятий ставится одна единственная задача – снижение концентрации радионуклидов в произведенной продукции.

В земледелии для снижения загрязнения верхних слоев почвы радионуклидами проводят глубокую запашку загрязненного слоя. Лучше это мероприятие проводить при помощи ярусных плугов, где верхний слой заделывается на заданную глубину, средний выворачивается на дневную поверхность, а нижний занимает среднее положение (при этом снижается содержание стронция-90 и цезия-137 в продуктах растениеводства в 1,5–2,0 раза). В агрохимии важным приемом для уменьшения поступления в растение радионуклидов является внесение на кислых почвах органических и минеральных удобрений и проведение известкования. В растениеводстве для снижения поступления радионуклидов служит подбор возделываемых культур и сортов (с хорошими аккумулятивными свойствами радионуклидов). Хорошим аккумулятором стронция-90 является пырей ползучий, который используют специально для снижения концентрации этого радионуклида; после уборки урожая зеленую массу «хоронят» в специально отведенном месте.

В животноводстве основное внимание уделяют рациональному кормлению животных, обеспечивающему получение продукции, отвечающей радиологическим стандартам. В перерабатывающих отраслях АПК используют ряд технологических процессов, обеспечивающих получение более низких концентраций радионуклидов в конечном (пищевом) продукте, чем в сырье (например, переработка молока в масло, получение сахара из свеклы, растительного масла, крахмала).