Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.

Введение

История развития радиационной экологии

Открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году Х-лучей,  названных впоследствии рентгеновскими (рентгеновыми) и сообщение 24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук профессора Анри Беккереля о том,  что соединения урана испускают лучи, обладающие свойством ионизировать воздух, которое затем  было названо естественной радиоактивностью, дало начало развитию ядерной физики и радиационной биологии, экологии.

Открытием А. Беккереля заинтересовались крупнейшие ученые того времени, среди которых в первую очередь необходимо назвать Марию и Пьера Кюри, Э. Резерфорда и Ф. Содди. Впоследствии было открыто много других радиоактивных элементов, но внимание исследователей сосредоточилось вокруг трех из них – урана, тория и радия. Все это привело к зарождению совершенно новой науки – ядерной физики, бурное развитие которой началось уже в новом XX веке и привело в конце концов к созданию управляемых ядерных реакторов и атомного оружия. Это произошло в сороковых годах прошлого века сначала в США, а затем в Советском Союзе. Таким образом, 40-е годы XX столетия можно считать началом вступления человечества в атомную эру.

Интенсивные испытания сверхдержавами ядерного и термоядерного оружия в 50-х – 60-х и быстрое развитие атомной энергетики привело к выбросам в биосферу огромных масс радиоактивных веществ. К этому надо добавить загрязнение окружающей среды радионуклидами, вследствие проводимых взрывов атомных зарядов в мирных целях.

К другим источникам радиоактивного загрязнения, нарушающим сложившийся за миллионы лет радиационный фон на нашей планете, следует отнести добычу и переработку урановых и ториевых руд, производство ядерного оружия, эксплуатацию ядерных реакторов на кораблях, исследовательские работы в области ядерной физики, а также использование радиоизотопов в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что миллионы людей в мире проживают сейчас в неблагоприятной радиационной обстановке, что стало особенно ясно после аварии на Чернобыльской АЭС в середине восьмидесятых годов, когда произошло весьма значительное увеличение глобального радиационного фона.

Аварии на ядерных установках и утечки радионуклидов в биосферу на данном этапе развития цивилизации – явление далеко не редкое. Поэтому каждый сознательный житель планеты должен знать радиационную обстановку на территории, где он проживает, иметь представление об основных естественных и искусственных радионуклидах, поражающих действиях радиоактивных веществ, их физических и химических свойствах, закономерностях концентрации их в различных сферах окружающей среды, влиянии на живые организмы, продвижении радиоизотопов по пищевым цепочкам, методах экспрессной оценки радиоактивности различных объектов и способах защиты от внешнего и внутреннего радиоактивного облучения.

Названными и многими другими проблемами занимается радиационная экология, которая в настоящее время в виде отдельного предмета или в виде раздела в других дисциплинах преподается на многих естественных факультетах и отделениях высших и средних специальных учебных заведений и даже в старших классах некоторых школ.

5 декабря 1995 г. Государственной Думой Российской Федерации был принят закон «О радиационной безопасности населения». Он наделил органы государственной власти субъектов федерации полномочиями разрабатывать на основе упомянутого федерального закона нормативно-правовые акты субъектов федерации и реализовывать свои программы в области радиационной безопасности населения.

Начиная с середины 40-х годов XX века, со времени первого испытания атомной бомбы в Аламогордо, сверхдержавами мира было произведено около 1900 ядерных взрывов в атмосфере, гидросфере и литосфере, которые привели к значительным вспышкам глобального радиационного фона. К этому надо добавить десятки аварий на реакторах атомных электростанций, боевых кораблей, хранилищах радиоактивных отходов, на предприятиях, производящих обогащение ядерного материала.

Вторая половина XX столетия ознаменовалась бурным развитием энергетики особого типа, основанной на радиоактивном распаде. В настоящее время в мире насчитывается несколько сотен энергетических установок, работающих на ядерном топливе. Кроме того при крупных научных центрах, ведущих исследования в области атомного ядра, функционируют сотни исследовательских реакторов. В дальнейшем, по мере исчерпания ресурсов горючих полезных ископаемых, этот вид получения энергии будет приобретать все большее ускорение. Расчеты показывают, что при современных мировых темпах потребления углеводородного сырья разведанных его запасов хватит лишь на 100 лет. Учитывая молниеносное развитие цивилизации, легко предсказать, что уже в ближайшем будущем человечество столкнется с проблемой энергетического голода, если выработка электроэнергии будет и впредь базироваться на сжигании органического топлива. Если прибавить к этому фактор вредности сжигания каустобиолитов, то станет вполне очевидным, что альтернативным источником энергии на данном этапе развития человеческого общества могут быть только АЭС. В соответствии с этим многократно возрастет количество радиоактивных отходов, требующих надежного захоронения, хранения и вторичной переработки.

Радионуклиды быстрыми темпами проникают в науку и технику. Уже сейчас сотни тысяч предприятий и учреждений в разных странах используют в своей повседневной работе источники ядерных излучений. Создаются все новые приборы и установки, принцип работы которых основан на радиоактивных препаратах. Их применяют в самых различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине и космической технике.

Развитие ядерного производства потребовало извлечения из глубин Земли колоссального количества радиоактивного сырья. За последние 50 лет из земных недр добыты и переработаны многие миллионы тонн урановых и ториевых руд. Содержание полезного компонента в радиоактивных рудах невелико, вследствие чего после их обогащения остается огромная масса «пустой» породы, которая может повысить местный радиационный фон в несколько раз.

Все это поставило людей в совершенно новые условия жизни, когда использование радиоактивных веществ буквально пронизывает все отрасли деятельности человека. Связанное с этим повышение местного радиационного фона во многих регионах планеты, рост числа зон локального загрязнения окружающей среды нарушают природное равновесие, которое сложилось за длительный период, измеряемый в геологическом масштабе времени. Уже сейчас средний уровень глобального загрязнения составляет: по цезию-137 – 0,08 Ки/км², по стронцию-90 – 0,045 Ки/км²,  по плутонию-239 – 0,005 Ки/км², а мощность гамма-излучения на высоте 1 м – 10-15 мкР/ч  (Булатов, 1996). Загрязнение радионуклидами биогеоценозов действует на популяции животных, которые длительно находились в условиях неизменного радиационного фона. Если не поставить заслон безудержному и бесконтрольному распространению радионуклидов в биосфере, то это приведет к непредсказуемым генетическим изменениям в животном и растительном мире и даже к гибели отдельных видов, а возможно и целых экологических сообществ.

Требуется качественно новый уровень культуры обращения людей с материалами, содержащими радионуклиды, ибо от этого будет зависеть само существование жизни на Земле.

В связи с этим изучение процессов накопления радиоактивных веществ организмами, их миграции в биосфере, взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения приобретает все большую актуальность. Этими вопросами уже на протяжении полувека занимается одна из отраслей экологии – радиационная экология.

Зарождение этой науки в нашей стране произошло в конце 20-х годов XX столетия с экспериментов В.И. Вернадского по накоплению радия живыми организмами. К началу сороковых годов относится публикация научных работ В.Ф. Натали о влиянии ионизирующего излучения на половую систему рыб. Бурное же становление радиоэкологии относится к пятидесятым годам, когда было установлено, что в результате испытаний атомного оружия биосфера Земли может быть загрязнена в глобальном масштабе.

ВЕРНАДСКИЙ

Владимир Иванович

1863-1945

Взрывы ядерных устройств над городами Хиросимой и Нагасаки, военные учения армий США и СССР, в ходе которых проводились эксперименты на животных и людях, аварии на атомных кораблях и электростанциях, оснащенных атомными реакторами, предоставили исследователям богатейший фактический материал относительно последствий радиоактивного облучения человека, животных и растений.

Испытания атомного оружия с 1944 по 1963 годы вызвали глобальное загрязнение продуктами радиоактивного распада поверхности планеты и ее подвижных оболочек. Стало известно, что продукты ядерных взрывов поглощаются атмосферной пылью, переносятся на большие расстояния и выпадают на поверхность Земли с дождем и снегом, загрязняя почву радионуклидами. Последние, передвигаясь по пищевым цепочкам от зерна и травы через мясо и молоко животных, попадают в организм человека и разрушают его. Биологи поняли, что отныне вся биота Земли вынуждена будет существовать в совершенно новых, непривычных для нее условиях – в обстановке повышенной радиации. Поэтому потребовалось срочно переориентировать значительные научные силы в русло изучения влияния ионизирующих излучений на живые организмы.

В 1957 году состоялось совещание биологов СССР, организованное Академией Наук СССР, на котором было принято решение о значительном усилении исследований в области радиобиологии. Вслед за этим в срочном порядке во многих академических учреждениях страны были организованы и технически оснащены лаборатории радиобиологии. Ими руководили ведущие специалисты в области биологии: В.М. Клечковский, A.M. Кузин, Н.П. Дубинин, А.А. Передельский, П.П. Вавилов и многие другие. Это научное направление было новым в системе Академии наук, поэтому потребовались значительные усилия для подготовки специалистов. В их воспитании принял активное участие знаменитый биолог-генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский, работавший тогда в Ильменском заповеднике (г. Миасс). Экологам потребовалось изучать судьбу радиоактивных веществ, попавших в окружающую среду, воздействие иx на отдельные особи, популяции и экосистемы. Уже к началу 60-х годов  были получены многочисленные данные, характеризующие радиочувствительность отдельных видов и сообществ организмов к облучению от внешних источников и при радиоактивном загрязнении среды обитания.

Тимофеев-Ресовский

Николай Владимирович

1900-1981

Во всем мире эту зарождающуюся науку называли тогда радиационной биогеоценологией (Тимофеев-Ресовский Н.В., 1957). Уже в то время в радиоэкологии выделились два главных направления: изучение влияния
ионизирующих излучений на живые организмы и закономерности распределения, накопления радионуклидов в природных сообществах. Головным научным учреждением, сосредоточившим исследования по накоплению и распределению радионуклидов по основным компонентам биогеоценозов, стал тогда Институт биологии Уральского филиала АН СССР, впоследствии переименованный в Институт экологии растений и животных. Руководство работами осуществлял Н.В. Тимофеев-Ресовский.

 По мере накопления информации в радиоэкологии постепенно стали формироваться две главные отрасли – морская и континентальная, занимающиеся, соответственно, экосистемами океанов и континентов. В свою очередь в континентальной радиоэкологии выделились два направления – радиоэкология суши и континентальных водоемов.

Крупной отраслью континентальной радиоэкологии стала радиоэкология  животных,  которая  интенсивно развивалась в трудах А.И. Ильенко, Д.А. Криволуцкого и В.Е. Соколова. Этим же ученым принадлежат основные исследования влияния ионизирующей радиации на популяции, много научных статей по накоплению стронция пресноводными рыбами принадлежит Г.Д. Лебедевой (1961, 1962, 1968).

В пятидесятые годы в печати появились первые результаты исследований по загрязнению континентальных водоемов радиоактивным стронцием и движению его по пищевым цепям  (Марей A.M., 1955, 1958, 1961).

В последующие годы континентальная радиоэкология получила развитие в фундаментальных трудах уральских ученых Н.В. Куликова и И.В. Молчановой (1975, 1977, 1988). Еще в пятидесятые-шестидесятые годы этими учеными были получены данные о скорости и прочности фиксации радионуклидов различными почвами, степени подвижности радиоактивных элементов в системах «почва – раствор», «почва – растение» и «вода – гидробионты». Этими же исследователями проведены эксперименты по изучению радиочувствительности сотен видов культурных растений, определены значения коэффициентов накопления радионуклидов в представителях пресноводной фауны и флоры.

Морская радиоэкология последовательно развивалась в трудах Г.Г. Поликарпова и его учеников (Поликарпов, 1964; Поликарпов, Егоров, 1986), а затем в работе А.Е. Каткова (1985).

Бурное развитие атомной энергетики в 70-е – 80-е годы способствовало повороту внимания исследователей в сторону экологических проблем, непосредственно связанных с эксплуатацией энергоустановок на ядерном топливе. В этот период при крупных атомных электростанциях были созданы лаборатории, занимающиеся радиоэкологическими проблемами, касающимися наземных и пресноводных экосистем. Исследования на Биофизической станции Института экологии растений и животных УО РАН при Белоярской АЭС показали, что осторожная и грамотная эксплуатация объектов атомной энергетики абсолютно безопасна для окружающей среды. В 1986 году по халатности руководства произошла крупная авария на Чернобыльской АЭС, след от которой окутал всю планету, повысив глобальный радиационный фон. Выпало большое количество радиоактивных осадков. Специалисты радиоэкологи используют это, изучая процессы взаимодействия выпадающих из атмосферы радиоактивных примесей с почвенно-растительным покровом, явления сорбции и прочности фиксации многих искусственных радионуклидов в различных почвах, закономерности усвоения их живыми организмами и движения радиоактивных элементов по пищевым цепочкам.

Беспрецедентная по масштабам авария на Чернобыльской АЭС заставила многократно увеличить масштаб радиоэкологических исследований. Как никогда возросло международное сотрудничество ученых в этой области, поскольку с развитием атомной энергетики и увеличением количества разрабатываемых ядерных технологий неизбежно возрастает и радиационная опасность. К настоящему времени уже достаточно хорошо изучено распределение радионуклидов в организмах наземных животных и в гидробионтах, а также движение естественных и искусственных радиоактивных элементов по пищевым цепям.