Контрольная работа по «Сельскохозяйственная радиобиология»

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Смоленская государственная сельскохозяйственная академия»

Контрольная работа

по дисциплине «Сельскохозяйственная радиобиология»

Вариант № 19

                                  Руководитель:

                                  Литвинова А. Б.

                                  Выполнил:

                                  Барсуков А. В.

Смоленск 2014

1. Эффекты взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за время с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.

Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону ( — интенсивности гамма-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X,  — коэффициент поглощения); зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией Ek , равной

где I — энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv > ), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. Увеличение порядкового номера z поглотителя приводит к увеличению вероятности фотоэффекта, поскольку ослабляется связь электронов с атомным остатком и возрастает число электронов в атоме. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.

Увеличение энергии гамма квантов приводит к монотонному убыванию вероятности Комптон-эффекта.

Рождение электронно-позитронной пары — процесс, при котором гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ. Для возникновения такого же процесса в поле электрона энергия гамма квантов должна достичь порогового значения 2,04 МэВ.

Механизм поглощения гамма-излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды, в которой он движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии, гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами. Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием двух гамма квантов.

2. Инкорпорированные радионуклиды. Особенности локализации радионуклидов в животном организме.

Радионуклиды - радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов — и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра. А инкорпорированные радионуклиды – это  включенный в состав тела радионуклид.

Основными источниками поступления радионуклидов в организм животных являются корм, вода, почва, радиоактивные частицы, аэрозоли. 
Радионуклиды поступают в организм животных через пищеварительный тракт с кормом и водой, через легкие с загрязненным воздухом, через поверхность кожи, через слизистые оболочки и раны. При радиационных инцидентах основное количество радионуклидов поступает через легкие, кожу и слизистые оболочки. Газообразные радионуклиды быстро всасываются с поверхности легких в кровь и разносятся по организму. Частицы размером 0,5-1 мкм задерживаются на 90% в легких, где всасываются в кровь. Часть частиц поглощается в легких макровагами и надолго остается в легочной ткани. Более крупные частицы оседают в верхних дыхательных путях. Из легких быстро всасываются в кровь хорошо растворимые соединения щелочных и щелочно-земельных элементов. Поступления через кожу может составлять 0,13-2,1%, при этом максимальное поступление у щелочных элементов, инертных газов, галогенов, а также у водорастворимых и жирорастворимых соединений. Через слизистые оболочки раны поступает менее 1% радионуклидов. 
В настоящее время 95-98% радионуклидов поступает через желудочно-кишечный тракт с кормами и водой. Поступление зависит от характера кормопроизводства хозяйства (вид и набор кормов, содержание радионуклидов в корма или суточная активность рациона, от продуктивности и окультуренности кормовых угодий, а также от способа содержания животных, при этом минимальное поступление при стойловом содержании животных с кормлением скошенным зеленым кормом окультуренных угодий. 
При выпасе скота одновременно с травой поступают радиоактивные частицы, почвенный грунт и отмершие части растений, содержащие радионуклиды. В организм крупного рогатого скота может поступать 300-600 г почвы. С водой поступление радионуклидов на несколько порядков ниже, чем с кормом. 
В желудочно-кишечный тракт с кормом и почвой радионуклиды поступают в различных формах: 1) ионы, входящие в состав травянистого корма; 2) аэрозоли, адсорбированные на поверхности растений; 3) структурные и химические соединения, входящие в состав кормов; 4) силикатные и карбонатные частицы различной растворимости и др. Радионуклиды, попавшие в организм с кормом, включаются в основные процессы обмена веществ, т.е. всасывание в кровь, транспорт с кровью по организму, поступление и накопление в органах и тканях организма и выведение из организма. Основное место всасывания радионуклидов — кишечник, отделы которого по интенсивности всасывания располагаются в убывающем порядке: подвздошная 90Sr>65Zr>60Co>59Fe>54Mn>140Ba>106Ru>144Ce> 
90Y>239Pu. 
На величину и скорость всасывания влияет концентрация радионуклидов в корме (прямая связь) и количество поступивших радионуклидов (чем больше видовой состав радионуклидов, тем меньше всасывается каждый отдельный радионуклид.  
Из физиологических особенностей животных наибольшее влияние на всасывание оказывает строение пищеварительного тракта (у животных с однокамерным желудком всасывание выше, чем у животных с четырехкамерным желудком); возраст животных (у молодых животных интенсивный обмен веществ и высокая проницаемость мембран клеток кишечника, поэтому всасывание радионуклидов в 2-10 раз выше, чем у старых животных); масса животных (у мелких животных активный обмен веществ и активное всасывание радионуклидов с последующим распределением на меньшую массу); режимы организма (подвижные, активные животные имеют большие коэффициенты всасывания, чем пассивные); продолжительность контакта радионуклидов с клетками желудочно-кишечного тракта и скорость переваримости корма, чем быстрее переваривается корм и чем меньше времени он находится в ЖКТ, тем меньше всасывание); степень заполненности ЖКТ кормом до поступления радионуклидов (натощак всасывание в 2-5 раз выше). На всасывание радионуклидов влияет качество корма, особенно содержание в кормах клетчатки, которая хорошо поглощает радионуклиды, снижая их всасывание, а также содержание калия, кальция, микроэлементов, витаминов и веществ, связывающих радионуклиды в трудно доступные соединения. В звене клетки кишечника – кровь имеет место дискриминация стронция относительно кальция. При дефиците усвояемого кальция активно всасывается стронций. Всасывание стронция-90 в кишечнике уменьшается в 1,5–5 и более раз при введении в рацион трикальцийфосфата, а также кормового мела или доломитовой муки. Препараты на основе ферроцина содержат обменные катионы алюминия, которые вступают в ионно-обменные реакции с одновалентными ионами, особенно активно с ионами цезия. Благодаря этим реакциям цезий связывается в коллоидные соединения и значительно меньше всасывается. Известно, что 1г ферроцина связывает 9,7·1010 Бк. Цезий поглощается ферроцином в 1000 раз сильнее, чем натрий и в 100 раз сильнее, чем калий, поэтому введение ферроцина, с одной стороны, уменьшает всасывание цезия-137 и переход его в мясо в 2–5 раз, а в молоко – в 5-7 раз, а с другой стороны, – не уменьшает в организме содержание натрия и калия и не разрушает процессы обмена веществ в организме. Поступившие в кровь радионуклиды разносятся по организму, откладываются в органах и выводятся из организма. Поведение всосавшихся в кровь радионуклидов зависит от физико-химических свойств радионуклидов и их биологического значения для организма, возраста и физиологического состояния животных, кратности и длительности поступления радионуклидов в организм. Радионуклиды I группы периодической системы, относящиеся к щелочным элементам, т.е. натрий, калий, цезий не связываются с белками крови, мышц, печени, почек, поэтому 90 и более процентов их находится в свободном состоянии. В связи с этим для них характерна высокая скорость обмена в организме и сравнительно равномерное распределение. Цезий-137 накапливается преимущественно в мышечной ткани и во внутренних органах.

Радионуклиды II группы периодической системы, относящиеся к щелочно-земельным элементам, т.е. кальций, барий, стронций связываются в организме с белками крови и тканей. Кальций связывается в 2 раза больше, чем стронций. Установлено, что кальций и стронций связываются с альбуминами, иттрий и церий – с глобулинами. Естественные комплексообразователи организма – молочная, глутаминовая и лимонная кислоты – легко «отрывают» стронций от белка, образуя со стронцием комплексы. В тканях под действием ферментов или фосфатных анионов (РО4-3) комплексы разрушаются, при этом возникают свободные катионы стронция и фосфаты стронция, которые включаются в процессы формирования костной ткани. По химическому составу кость – это фосфат кальция с примесью ионов магния, натрия, карбоната кальция. Костные кристаллы очень мелкие. Они окружены органическим веществом – каллогеном и слоем воды, через который происходит обмен между ионами поверхности кристалла и внеклеточной жидкостью организма. Чем шире этот слой (например, у молодых животных), тем больше скорость обмена ионами и тем больше накопление стронция в кости. Стронций вначале накапливается в каллогене, откуда путем диффузии переходит в кристаллы, т.е. в костную ткань. Максимальная концентрация стронция в губчатых и компактных костях, минимальная – в трубчатых, с разницей в 1,7-2,6 раз. Кальций может вытеснять стронций из каллогена, т.е. имеет место дискриминация, что следует помнить при составлении рациона кормления животных. Накопление стронция-90 в мышечной ткани и внутренних органах в сотни раз ниже, чем в костной ткани, потому что его отложению в мышечной ткани препятствует молочная кислота. По способности связываться с белками крови и тканей радионуклиды образуют следующий ряд: 22Na = 137Cs = 40K < 90Sr< 45Ca< 90Y = 144Ce. 
В отличие от стронция-90 и цезия-137 йод-131 относится к короткоживущим радионуклидам (Т1/2=8,06 сут). По прочности связи с белками организма йод-131 превосходит все радионуклиды. Более 70% поступившего йода-131 связывается с белками крови и с тиреоидными гормонами, причем в крови йод-131 связывается с эритроцитами. Плутоний и америций связываются с белками крови и органов и откладываются в скелете, печени, селезенке, семенниках и надпочечниках. 
Всасывание 144Се и 106Ru – очень слабое, т.к. они связываются почти полностью с белками, поэтому отложение в органах и тканях незначительное. Радионуклиды нейтронной активации (59Fe, 60Co, 65Zn) активно всасываются и накапливаются в паренхиматозных органах, тканях и скелете, при этом максимальное количество откладывается в печени. 
По типу распределения в организме радионуклиды разделяются на 4 основные группы:

• 1-я группа – равномерный – элементы 1 группы периодической системы: водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, рутений;
• 2-я группа – скелетный (остеотропный) – щелочноземельные элементы: бериллий, кальций, стронций, барий, радий цирконий, иттрий;
• 3-я группа – печеночный: лантан, церий, плутоний, марганец, торий;
• 4-я группа – почечный: висмут, сурьма, мышьяк, уран.

В особую группу с тиреотропным типом распределения выделяют йод, астат, бром.

При длительном (хроническом) поступлении радионуклидов в организм животных с кормом сначала происходит интенсивное накопление, а затем, по мере насыщения радионуклидами тканей, постепенно замедляется до наступления равновесия между поступающими в организм радионуклидами и радионуклидами, выводимыми из организма, при этом содержание радионуклидов стабилизируется. Равновесие может нарушаться при изменении содержания радионуклидов в корме.

Например, увеличение содержания радионуклидов в корме приводит к возрастанию накопления радионуклидов до установления нового равновесия, но на более высоком уровне. Снижение содержания радионуклидов в корме способствует выведению их из организма и уменьшению накопления.

Эти особенности учитываются при откорме животных в условиях радиоактивного загрязнения кормовых угодий.

Время установления равновесия зависит от свойств радионуклида, интенсивности обмена веществ, вида, возраста и физиологического состояния животных. В мышечной ткани и внутренних органах равновесия для цезия-137 устанавливается у крупного рогатого скота в интервале времени между 60-ми и 150-ми сутками.

Установлено, что радионуклиды из организма стельных самок переходят через плаценту к развивающимся эмбриону и плоду. Плацента свободно пропускает калий и цезий, однако кальций проникает в 3-12 раз активнее, чем стронций. Распределение радионуклидов по организму плода в утробе самки подобно распределению по организму взрослого животного.

Неотъемлемым процессом поведения радионуклидов в организме является процесс выведения через желудочно-кишечный тракт и почки с калом и мочой, а также в меньшем количестве через легкие и кожу. У стельных и лактирующих животных часть радионуклидов выводится с плодом и молоком. 
Время, в течение которого исходное количество радионуклида уменьшится в два раза, называется эффективным периодом полувыведения (Тэфф.). 
Уменьшение концентрации радионуклидов происходит за счет 2-х основных факторов – это радиоактивный распад и обмен веществ. 
Эффективный период полувыведения определяют по формуле:

 
где Тфиз – физические процессы, обусловленные радиоактивным распадом, т.е. период полураспада радионуклида – время, за которое количество радионуклида за счет распада ядер уменьшится в два раза; Тбиол. – физиологические процессы, обусловленные обменом веществ, т.е. биологический период полувыведения – время, за которое выводится половина поступившего количества радионуклида.

Эффективный период полувыведения короткоживущих радионуклидов определяется периодом полураспада, долгоживущих – биологическим периодом полувыведения.

Радионуклиды быстро выводятся из тканей с высокой скоростью обмена веществ, т.е. из мышечной ткани. Водорастворимые и свободные радионуклиды, которые хорошо всасываются в кровь (натрий, цезий, калий, йод), выводятся через почки.

Радионуклиды, которые плохо всасываются кальций, стронций, барий, церий, кобальт, выводятся через желудочно-кишечный тракт. Эффективный период полувыведения цезия-137 из мышечной ткани КРС составляет 20-30 суток, причем 35% цезия-137 выводится через 3 суток.

Остеотропные радионуклиды выводятся очень медленно. Для выведения радионуклидов используют различные методы, ускоряющие выведение из первичных мест поступления, а также методы, способствующие выведению радионуклидов из органов и тканей организма.

3. Дезактивация продукции растениеводства путем технологической переработки.

Накопление радионуклидов в урожае сельскохозяйственных культур можно снизить путем использования различных агрохимических и агротехнических приемов:

1) общепринятые (традиционные) мероприятия в агропромышленном  производстве, направленные на сохранение  и увеличение плодородия почвы, рост урожайности и одновременно способствующие уменьшению перехода радиоактивных веществ из почвы в растение;

2) специальные приемы (уменьшающие  поступление радионуклидов в  растения, но уменьшающие урожайность  растений и ухудшающие плодородие  почвы).

     I. Основным  агрохимическим способом уменьшения поступления радионуклидов в растения является химизация земледелия. В первую очередь – это внесение удобрений и различных химических мелиорантов, улучшающих физико-химические свойства почвы и увеличивающих ее плодородие. Вносятся органические удобрения, минеральные удобрения, проводится известкование почвы и другие агрохимические приемы. Фосфорные и калийные удобрения уменьшают переход радиоактивности в растения в 2 и более раз. Известкование почвы уменьшает поступление радионуклидов в продукцию растениеводства в 1,5-3 раза.

Снижение концентрации радионуклидов в урожае при внесении удобрений обусловлено рядом причин, основными из которых являются:

 – улучшение условий питания растений, а отсюда и увеличение биомассы, что приводит к «разбавлению» радионуклидов в урожае;

 – усиление антагонизма между ионами радионуклидов и ионами солей вносимых удобрений (цезий – калий, стронций – кальций);

 – образование плохо растворимых соединений радионуклидов с удобрениями.

Снижает переход радионуклидов в растения и применение микроэлементов (бора, молибдена, сапропеля и др.). Обычно используют некорневую подкормку микроэлементами.

Основным агротехническим приемом для ограничения перехода радионуклидов в растение является пахота почв, что приводит к перераспределению радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы. Радионуклиды перемещаются в глубину, а большинство растений обладает мелкой корневой системой.

II. К специальным приемам  относятся следующие:

– механическое удаление верхнего загрязненного слоя почвы;

– глубокая вспашка с захоронением загрязненного верхнего слоя почвы;

– фитомелиорация загрязненных почв;

– внесение в почву специальных мелиораторов, связывающих радионуклиды в труднодоступные для растений формы;

– специальный подбор сельскохозяйственных растений (сельскохозяйственных культур и их сортов) для выращивания на загрязненных территориях.

Механическое удаление верхнего загрязненного слоя почвы – трудоемкий и дорогостоящий способ, который можно использовать на ограниченных площадях.

Наиболее эффективным приемом считается двухъярусная глубокая вспашка, когда верхний слой толщиной в 4-6 см укладывается на глубину 40-80 см, что снижает поступление радионуклидов в растения в 3-10 раз.

В результате аккумуляции радионуклидов растениями концентрация их в фитомассе может быть больше, чем в почве. Этот прием очищения почвы называется фитомелиорацией почв.

Одним из способов, ограничивающих аккумуляцию растениями радионуклидов, является перевод последних в трудноусваиваемые формы путем внесения в почву химических реагентов.

Особое место отводится подбору культур. Концентрация цезия-137 в сельскохозяйственных культурах распределяется следующим образом:

1.    Зерновые, бобовые и зернобобовые (люпин > овес > гречка > горох > ячмень > просо > соя > фасоль);

2.    Овощные и картофель (капуста > картофель > свекла > морковь > огурцы > томаты);

3.    Травы (овсяница > костер > клевер > тимофеевка).

По концентрации стронция-90 овощные культуры располагаются в следующем порядке: свекла > огурцы > морковь > капуста >томаты > картофель; травы располагаются в следующем порядке: разнотравье > осоки > ежа сборная > мятлик.

Озимые культуры накапливают радионуклидов меньше, чем яровые. По аккумуляции цезия и стронция зерновые и бобовые культуры разделяются на группы:

1) слабонакапливающие (ячмень > пшеница > овес);

2) средненакапливающие (крупяные: просо > чумиза > гречка); 

3) сильнонакапливающие (зернобобовые: фасоль > горох > бобы).

Из технологических приемов следует использовать переработку растениеводческой продукции: получение растительного масла из подсолнечника и сои, крахмала и спирта из картофеля, сахара из сахарной свеклы.

Концентрация радионуклидов уменьшается при консервировании продукции, засолке и других видах обработки. При переработке зерна в муку много радионуклидов удаляется вместе с оболочками. Дезактивацию растительного сырья можно проводить путем различного рода помывок (при поверхностном загрязнении растений).

Задача 1. Реакция α-распада 21684Po  21282Pb + 42He

Задача 2. Согласно условию задачи, нам известны данные:

период полураспада Т=2,6 года;

время распада t=1c;

масса препарата m0=1г.

Найти нужно количество атомов радионуклида 22Na после распада.

Для решения данной задачи используем закон радиоактивного распада:

N=N0*2-t/T, где

N0 – первоначальное число ядер;

N – число нераспавшихся ядер.

Обозначим число распавшихся ядер N′= N0- N

N′= N0- N0*2-t/T= N0(1-2-t/T)    (1)

Вычислим число радиоактивных ядер по формуле:

N0=m/M*NA

N0=1г/22г/моль*6*1023моль-1=27*1021

Подставим полученный результат в уравнение (1):

N′=27*1021(1-2-1с/2,6*12*30*24ч*3600с)=

=27*1021(1-1/21/80870400)=

=27*1021(1-1/1,0000000086)=

=27*1021(1-0,999999991)=

=27*1021*0,000000009=

=0,000000243*1021=243*1021

За одну секунду в одном грамме препарата при периоде полураспада 2,6 года распадется 243*1021 атомов радионуклида 22Na.