Влияние радонового загрязнения на биоту

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Горно-Алтайский государственный университет»

(Горно-Алтайский государственный  университет, ГАГУ)

 

Естественно-геграфический факультет

Кафедра ботаники, зоологии, экологии и генетики

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

ВЛИЯНИЕ РАДОНОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОТУ

 

 

 

 

Работу выполнил :

студент 3 курса

112 группы

Мамонов М.С.

 

Проверил (а) научный

руководитель

к.б. н., профессор

Собчак Р.О.

 

Работа защищена

 

Оценка                    

                              

                                   

 

 

 

 

 

 

 

Горно-Алтайск,

2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

Введение	3
1 Естественная радиация – ее польза и вред (Литературный обзор)	5
Радон – естественный радиоактивный элемент	5
1.1.1 Химические и физические свойства радона	5
1.1.2 Использование радона в медицине	9
2 Влияние радона на биоту	13
2.1 Влияние радона на человека  и животных	13
2.2 Индикаторная роль растений  при радоновом загрязнении	13
3 Экологическая обстановка по радону	15
3.1 Радоновое загрязнение в Республике  Алтай	15
3.2 Радоновое загрязнение в г. Горно-Алтайске	18
4 Оценка радонового загрязнения  окрестностей г. Горно-Алтайска методами  фитоиндикации (Экспериментальная  часть) 4.1 Объекты, пробные площади, уровень радоновой радиации на ПП 4.2 Флуктуирующая асимметрия листьев  Березы повислой – Betula pendula Roth – как индикатор радонового загрязнения 4.2.1 Асимметрия как метод фитоиндикации	21   21 24   24
4.2.2 Методика отбора листьев  с модельных деревьев для оценки радоновой радиации методом флуктуирующей асимметрии	26
Выводы	27
Список использованных  источников и литературы	28

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Актуальность работы. Земная кора с самого начального момента своего образования содержит естественные радиоактивные элементы (ЕРЭ), создающие естественный радиационный фон. Единственным газообразным продуктом, который рождается в процессе распада трех семейств ЕРЭ, является радон. Наибольший вклад в газовую составляющую ЕРЭ вносят радиоактивные семейства урана-238 и тория-232, в процессе распада которых образуются радиоактивные радон-222 и радон-220 [1].

Интерес к радоновой проблеме существует практически во всех развитых странах, поскольку более половины годовой дозы от всех природных источников излучения человек получает через воздух, облучая радоном свои легкие во время дыхания.

Радон и другие радионуклиды при самопроизвольном распаде вызывают мутагенные, канцерогенные и тератогенные изменения в живых организмах. Известно, что наиболее сильным мутагенным эффектом обладают радиоактивные элементы [2].

Территория Республики Алтай в связи с особенностями геологической структуры считается неблагоприятной в отношении облучения населения природными источниками излучения, формирующегося за счет повышенного содержания природных радионуклидов (радона).

Масштаб и уровень экологического неблагополучия по фактору «радон» можно оценить исходя из геологических особенностей региона. По данным Роспотребнадзора по Республике Алтай выборочное обследование атмосферного воздуха и общественных помещений в пределах агломерации выявило большое число помещений с двух-пяти и более кратным превышением ПДК по радону [3].

 

 

Цель работы. Выявить особенности радонового загрязнения в Республике Алтай и окр. г. Горно-Алтайска, а также проанализировать его воздействие на биоту.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• охарактеризовать химические и физические свойства радона;
• выявить возможные риски от радонового загрязнения;
• проанализировать применение радона в медицине;
• изучить метод флуктуирующей асимметрии листьев для последующей оценки степени радонового загрязнения окрестностей г. Горно-Алтайска;
• определить объекты исследований, пробные площади, замерить уровень радонового загрязнения на них.

Структура и объем работы. Курсовая работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и источников (34 наименований) и одного приложения. Работа изложена на 30 страницах машинописного текста, иллюстрирована 5 рисунками и 1 таблицами.

 

 

1 ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИАЦИЯ  – ЕЁ ПОЛЬЗА И ВРЕД (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Радон – естественный радиоактивный элемент

1.1.1 Химические и физические свойства радона

 

 

Радон является элементом периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, он имеет атомный номер 86 и обозначается символом Rn (Radon).

Также радон можно назвать одноатомным инертным газом, который не имеет цвета и запаха. Радон выделяется из почвы, также из множества строительных материалов (например кирпича, красной глины, гранита).При комнатной температуре является одним из самых тяжелых газов. Наиболее стабильный изотоп (222Rn) имеет период полураспада 3,8 суток [4].

Радон – радиоактивный элемент. Испуская поток α-частиц, которые представляют собой ядра гелия и они являются промежуточными продуктами в цепи радиоактивных превращений радия.

Радон  относится к благородным газам. Благородные газы это группа химических элементов, которые обладают схожими свойствами. При благоприятных (нормальных) условиях они представляют собой одноатомные газа, которые не имеют цвета и запаха с достаточно низкой химической реактивностью. При экстремальных условиях благородные газы химически не реактивны [5].

Инертные газы имеют более низкую точку сжижения и замерзания в отличие от других газов имеющих тот же молекулярный вес. Это обуславливается  благодаря насыщенному характеру  атомных молекул. Радон имеет ряд отличительных свойств, он светится в темноте, испускает тепло без нагревания и может образовывать новые элементы: газообразные и твёрдые вещества. Он в 110 раз тяжелее водорода, в 55 раз тяжелее гелия, в 7 с  раз тяжелее воздуха.

Один литр  газа радона  весит почти  10 г. Химически радон является совершенно инертным газом, который не имеет цвет. Радон  по сравнению с другими инертными газами лучше растворяется в воде. При охлаждении до минус  62°С радон способен сгущаться в жидкость, которая  превышает вес воды. При температуре минус  71°С радон подвержен замерзанию. Радон выделяют из солей радия но в очень малом количестве, потому что чтобы получить 1 л радона нужно иметь более 500 кг радия [6].

Инертные газы имеют более высокой способностью проводить электрический ток по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока они ярко светятся: гелий имеет ярко-жёлтый свет, потому что в его спектре имеется двойная жёлтая линия, которая преобладает над остальными; неон обладает огненно красным светом, потому что его линии лежат в краном спектре [7].

Ко времени открытия радона, было мнение, что элементы данной  группы являются  химически инертными и не способны к образованию настоящих химических соединений.

Известны были лишь клатраты, которые образовывались за счёт сил Ван-дер-Ваальса. К числу этих клатратов относились гидраты, такие как гидрат криптона, ксенона и аргона, которые получаются при сжатие подходящего газа над водой до давления, которое превышает упругость распада гидрата при данной температуре.

Для того чтобы получить аналогичный клатрат радона и обнаружить его по изменению упругости пара потребовалось бы недоступное количество этого элемента.

Б.А. Никитин предложил новый метод получения клатратных соединений благородных газов. Он заключался в изоморфном соосаждении молекулярного соединения радона с кристаллами специфического носителя

При изучении поведения радона при процессах соосаждения его с гидратами сернистого газа и сероводорода, Никитин показал, что имеется гидрат радона, который изоморфно соосаждается с SCy6H2O и HS — 6H2O.

Масса радона в данных опытах составляла 10–11 г. Тем же способом  получены клатратные соединения радона с рядом органических соединений, например с  фенолом и толуолом.Исследования химии радона возможны лишь с субмикроколичествами этого элемента при использовании в качестве специфических носителей соединений ксенона.

Следует, однако, учитывать, что между ксеноном и радоном находится 32 элемента (наряду с 5d-, 6s- и 6р-происходит заполнение 4f-орбит), что определяет большую металличность радона по сравнению с ксеноном.

Первое истинное соединение радона -дифторид радона – было получено в 1962 г. вскоре после синтеза первых фторидов ксенона. RnF2 образуется как при непосредственном взаимодействии газообразных радона и фтора при 400°С, так и при окислении его дифторидом криптона, ди- и тетрафторидами ксенона и некоторыми другими окислителями.

Дифторид радона устойчив до 200° С и восстанавливается до элементарного радона водородом при 500°С и давлении H2, равном 20 МПа. Идентификация дифторида радона осуществлена путем изучения его сокристаллизации с фторидами и другими производными ксенона. Ни с одним окислителей не получено соединение радона, где его степень окисления была бы выше +2.

Причиной этого является большая устойчивость промежуточного продукта фторирования (RnF+X-) по сравнению с аналогичной формой ксенона. Это обусловлено большей ионностью связи в случае радон содержащей частицы. Как показали дальнейшие исследования, преодолеть кинетический барьер реакций образования высших фторидов радона можно либо введением в реакционную систему дифторида никеля, обладающего наивысшей каталитической активностью в процессах фторирования ксенона, либо осуществлением реакции фторирования в присутствии бромида натрия. В последнем случае большая, чем у дифторида радона, фтордонорная способность фторида натрия позволяет конвертировать RnF+ в RnF2 в результате реакции: RnF+SbF6 + NaF = RnF2 + Na+SbF6.

RnF2 фторируется с образованием высших фторидов, при гидролизе которых образуются высшие оксиды радона. Подтверждением образования соединений радона в высших валентных состояниях является эффективная сокристаллизация ксенатов и радонатов бария.

Долгое время не находили условий, при которых благородные газы могли бы вступать в химическое взаимодействие. Они не образовывали истинных химических соединений. Иными словами их валентность равнялась нулю. На этом основании было решено новую группу химических элементов считать нулевой. Малая химическая активность благородных газов объясняется жёсткой восьмиэлектронной конфигурацией внешнего электронного слоя.

Поляризуемость атомов растёт с увеличением числа электронных слоёв. Следовательно, она должна увеличиваться при переходе от гелия к радону.

В этом же направлении должна увеличиваться и реакционная способность благородных газов. Так, уже в 1924 году высказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (в частности, фториды и хлориды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики – Полинг и Оддо.

Изучение электронной структуры оболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению, что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором.

Нашлись и экспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, а фторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области были прекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилось окончательно. Исторически первым и наиболее распространенным является радиометрический метод определения радона по радиоактивности продуктов его распада и сравнению ее с активностью эталона.

 

Изотоп радона 222 может быть определен  по интенсивности собственного α-излучения. Удобным методом определения радона в воде является экстракция его толуолом с последующим измерением активности толуольного раствора с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика [8].

Таким образом, радон является радиоактивным элементом обладающим рядом отличительных свойств: он светится в темноте, испускает тепло без нагревания и может образовывать новые элементы: газообразные и твёрдые вещества.

 

 

1.1.2 Использование радона в медицине

 

 

На протяжении почти ста лет после своего открытия радон используется во многих сферах жизни человека. К примеру, радон используют при выращивании домашних животных, с помощью излучения, которое производит радон находят залежи радиоактивных элементов, также радон используют во многих технологических процессах.

Но самое важное применение радон нашел в медицине. Среди санаториев радон нашел свое значительное применение, благодаря радоновым ваннам, а многие курорты стали популярны благодаря воде насыщенной радоном [9]. Радон в малом количестве, растворенный в минеральных водах, используется для ванн и даже ингаляций. После проникновения радона внутрь человеческого организма он благотворно влияет практически на все системы: от нервной до кровеносной.

Благодаря малому количеству радона он довольно быстро выводится из организма, не причиняя вреда, а наоборот оказывая благоприятное воздействие [10]. Благодаря радоновой терапии можно лечить широкий спектр заболеваний.

С помощью радоновых ванн газ радон легко проникает в организм человека через кожу, а после чего в подкожные железы. В подкожных железах он легко растворяется в жировых тканях и дальше проникает в органы.

Под действием радона в кожных покровах возникает эффект ионизации, способствующий активизации внутренних процессов, которые восстанавливают баланс и приводят в действие регенерационные механизмы человеческого организма. Таким образом, курс лечения радоном приводит к улучшению состояния кожи, способствует обмену веществ, уменьшает воспалительные процессы и ускоряет процессы восстановления повреждённых внутренних органов [11].

Также радон оказывает значительный эффект: воздействуя на сосуды, тем самым улучшая кровообращение и повышает упругость стенок, воздействуя таким образом на работу сердечной мышцы, приводя в норму частоту пульса.

Также радон оказывает положительный эффект при  суставных и лёгочных заболеваниях, а благодаря своему свойству нормализовать обмен веществ человека, радон используется для снижения веса, что стало актуально в наше время. Необходимо отметить также влияние этого инертного газа на нервную систему: радон носит успокоительный эффект, расслабляя организм. И поэтому его можно использовать для снятия болевых ощущений и также радон используют при нарушении сна. Но для того чтобы добиться заметного результата этот метод лечением радона необходимо применять в совокупности с физическими нагрузками, а также следует следить за своим питанием, исключить из своего рациона вредную пищу. Проведенные радоновые процедуры сохраняют свой эффект до полугода.

Также радон используется при гинекологических заболеваниях благодаря его противовоспалительному действию. В данном случае можно применять не только радоновые ванны, но и орошения.

При радоновом орошение воздействие происходит прямо на область воспаления, и даже способно останавливать кровотечения.

   Лечением радоном можно применять к таким заболеваниям как:

• фиброматоз;
• поликистоз яичников;
• фибромиомы;
• эндометриоз и некоторые другие.

Также радон положительно влияет на нормализацию женского цикла, уменьшает болевые синдромы, улучшение состояния при климактерических недомоганиях. При изучении воздействия радона на эту сферу медицины, ученые пришли к выводу, что радон эффективен в гинекологии, что зачастую может замещать хирургическое вмешательство, особенно это касается лечения фибромиом.

В зависимости от заболевания медицина предлагает несколько способов воздействия на организм человека радоном. В настоящее время более востребованы радоновые ванны, потому что они  не только оказывают лечебное воздействие на конкретное заболевание, но также положительно влияют на весь организм. Такое лечение обычно назначается с сочетанием массажа и грязелечение. Обычно проводится от 12 до 15 процедур.  Температура ванн составляет примерно 36 градусов, продолжительность каждой процедуры составляет от 10 до 20 минут.

Воздействие радона нормализует давление и поэтому данный метод лечения заболеваний предназначен для тех больных, которые не могут использовать другие методы лечения из-за опасности повышения кровеносного давления, например это пожилые люди с нестабильным давлением.

Для лечения пищеварительной системы используют питьевую терапию. Питьевая терапия показана тем людям, которые страдают от подагры –  радон нормализует работу печени и прочих внутренних органов, улучшается обмен мочевой кислоты.

Также радон используют для лечения заболеваний дыхательных путей. В  этом случае применяются радоновые штольни( воздушные ванны).  В первом случае под штольнями понимаются природные пещеры с наиболее приемлемым уровнем содержания радона. В них обычно поддерживается достаточно высокий уровень влажности и температуры, что позволяет раскрыть поры кожи. Во втором случае это искусственно созданные приборы, где, используя радий, получают эффект природных штолен [12].

Таким образом, радон нашел свое применение во многих сферах человеческой жизни: промышленной, сельскохозяйственной, но в большей степени радон применяется в медицине. Он является не только губительным но и в своём малом количестве приносит большую пользу здоровью человека. Лечение радоном может заменить, даже хирургическое вмешательство.

 

 

 

2 ВЛИЯНИЕ РАДОНА НА  БИОТУ

1. Влияние радона на человека и животных

 

 

Радон вносит наибольший вклад в радиоактивное облучение человека. Он несет ответственность за 3/4 годовой дозы облучения получаемой людьми от земных источников радиации. Было установлено, что основной вклад в облучения людей происходит из-за распада дочерних продуктов радона – изотопов свинца, висмута и полония [13].

При распаде радона его продукты попадают в легкие вместе с воздухом и задерживаются в них. Распадаясь радон выделяет альфа-частицы, которые поражают клетки эпителия. Распад ядер радона в лёгочных тканях может вызывать микроожоги, что в последующем может привести к раку. Также альфа-частицы радона вызывают повреждения костного мозга человека, что увеличивает вероятность развития заболевания кроветворной системы.

Радон с его дочерними продуктами распада поражает самые уязвимые и важные клетки человека: половые, кроветворные и иммунные [14].

 

 

2. Индикаторная роль растений при радоновом загрязнении

 

 

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоёмов и степени их загрязнения поллютантами [15]. Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве.

С помощью ранних морфологических реакций — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны [16].

При проведение биоиндикации о состоянии среды и мутагенного эффекта газа радона и продуктов его распада в производственных и жилых помещениях, расположенных в зоне источника радонового загрязнения, используется ядрышковый тест растения траденсканция. Наибольшая активность радона, определяется по возрастанию количества ядрышек, число которых может достигать 8–9, в подвальных помещениях, что обьясняется близостью к почвогрунту, откуда поступает радон, плохой проветриваемостью помещений. Также для оценки радонового загрязнения используется береза ( повислая или  пушистая).  С помощью флуктуирующей асимметрии [17].

 

 

3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА  ПО РАДОНУ

3.1 Радоновое загрязнение  в Республике Алтай

 

 

На территории Республики Алтай радиационная обстановка обусловлена природными источниками электромагнитного излучения при радиактивном распаде, в частности естественными радионуклидами.

Природный газ – радон вместе с дочерними продуктами распада является главным источником внутреннего облучения населения республики. Вклад радона в суммарную годовую дозу облучения населения Республики Алтай составляет приблизительно 76 %. Основной путь поступления в воздух производственных и жилых помещений – это выделение из почвенных грунтов под зданиями. Поэтому к радоноопасным территориям республики относятся населенные пункты, расположенные на гранитных массивах и в зоне геологических разломов [18].

В жилые дома радон попадает несколькими путями: из недр Земли, из фундаментов зданий; вследствие выделения из строительных материалов, из которых построено здание (цемент, щебень, кирпич, шлакоблоки); с водопроводной водой и бытовым газом. Самый значимый путь накопления радона в помещениях связан с выделением радона из грунта, на котором построены наши дома. Радон накапливается в тектонических нарушениях – "разломах", куда он исходит из пор и микротрещин пород. В возведенные над такими зонами здания поступает поток грунтового воздуха с высокой концентрацией радона. Накапливаясь в воздухе помещений, он создает серьезные проблемы для здоровья людей. Вода и природный газ способствуют появлению повышенных концентраций радона в квартире. Наибольшую опасность представляет поступление радона с водяными парами при пользовании душем, ванной, парной.

Радон содержится и в природном газе и если на кухне вытяжка недостаточно эффективна, концентрация его может достигать опасных значений и распространяться по всей квартире.

В 1995 году в нашей стране принят федеральный закон "О радиационной безопасности населения" и действуют специальные нормы радиационной безопасности. В них указано, что при проектировании новых зданий, было предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная объемная активность изотопов радона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м3 (беккерелей на метр кубический). В жилых зданиях эта же величина не должна превышать 200 Бк/м3, а при больших значениях необходимо проводить защитные мероприятия. Максимальное облучение от природных источников (до 92%) человек получает внутри здания, построенного на радоноопасном участке без противорадоновой защиты.

Исследования, проведенные в жилых и общественных зданиях в 2014 году в Республике Алтай показали, что средняя эквивалентная равновесная объемная активность изотопов радона (ЭРОА радона) отмечалась до 557 Бк/м3.

Концентрации радона в подземных водах РА варьируются от 4 до 266 Бк/л и составляют в среднем 28.8 Бк/л. Наиболее высокие концентрации радона установлены на территории г. Горно-Алтайск, где содержания радона находятся на уровне ПДК (62 Бк/л). На основных эксплуатируемых месторождениях подземных вод Улалинском и Майминском концентрации радона составляют 65,2–266 Бк/л [19]. Cовременная радиационная обстановка на значительной части этой территории республики является напряженной, в основном, из-за повышенных концентраций радона в воздухе. Радиационная доза облучения, полученная среднестатистическим жителем республики от природных источников, составляла в 2010 г. более 12 мЗв (миллизиверт), (допустимая 5 мЗв), в том числе от радона – 9.9 мЗв и от рентгенодиагностических процедур – 2.4 мЗв.

Из общей дозы облучения, получаемого населением РА, около 70 % формируется за счет радона.

Средняя доза облучения радоном в разрезе административных районов в 2010 г. выглядела следующим образом: Турочакский район – 19.1 мЗв/год, Чойский – 11.3, Майминский – 9.9, Шебалинский – 10.2, Усть-Канский – 6.3, Онгудайский – 8.1, Чемальский – 7.3, Усть-Коксинский район – 5.1 мЗв/год. В частности, максимально напряженная обстановка по радону имеет место в Турочакском районе (рисунок 1), где до 80 % населения подвержено его воздействию выше нормируемого показателя.

Рисунок 1 – Среднегодовая ЭРОА радона по Республике Алтай (Бк/м3)

[http://mlh-ra.ru/docs/results/ariecol_2010.pdf]

Примечание: ЭРОА – эквивалентная равновесная объемная активность

 

Для отдельных сел Республики Алтай существует проблема минимизации влияния радона на здоровье населения [20]. Именно поэтому на земельных участках, содержащих много радона, во время строительства необходимо принимать специальные меры безопасности. В Республике Алтай, земля которой содержит очень много радона, специальные радиационные исследования перед строительством зданий обязательны.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Средний уровень ЭРОА по районам Республики Алтай

(по Л.В. Щучинову и др., 2013)

Примечание: ЭРОА – эквивалентная равновесная объемная активность

 

Как видно из рисунка, самыми опасными районами по радоновому загрязнению являются Северный Алтай и Центральный Алтай. В этих районах концентрация радона составляет от 100 до 400 Бк/м3 и даже выше. Улаганский и Кош-Агачский район менее подвержены радоновому загрязнению.

Для того, чтобы определить какой класс противорадоновой защиты применить при строительстве, необходимо, при отводе земельного участка и приемке в эксплуатацию провести исследования плотности потока радона из земли и измерение объемной активности радона в здании.