Радиоактивный углерод

И.Я.Василенко, В.А.Осипов, В.П.Рублевский
© Василенко И.Я., Осипов В.А., Рублевский В.П. Радиоактивный углерод.

ИСТОЧНИКИ РАДИОУГЛЕРОДА Природный нуклид образуется главным образом при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции ¹⁴N (n, р) ¹⁴С. Роль других реакций — ¹⁵N (n, a) ¹⁴С; ¹⁶О (р, Зр) ¹⁴С; ¹⁷О (n,а) ¹⁴С; ¹³C (n.у) ¹⁴С — в образовании природного углерода-14 незначительна из-за малых сечений взаимодействия и низкого содержания ядер этих изотопов в естественной смеси элементов. Средняя интенсивность образования этого нуклида в атмосфере (в основном в стратосфере) равна 2,28 атом/с на 1 см2 земной поверхности, что составляет 9,7 x 10 \23 атом/сут. По массе это примерно 22,5 г/сут, а по активности—около 2,8 ТБк/сут или 1 ПБк/год. Среднее содержание природного нуклида в атмосфере и биосфере остается постоянным: 227 ± 1 Бк/кг углерода. Антрогюгеиный углерод-14 образуется в основном подобно природному, т.е. нейтроны (возникающие в большом количестве при взрыве ядерных бомб) поглощаются ядрами азота-14. Количество нуклида зависит от типа бомбы (атомная или термоядерная), ее конструкции (используемые материалы) и мощности (плотность потока нейтронов). Величина выхода ¹⁴С при взрывах по реакции синтеза принята равной 0,65 ПБк/Мт, по реакции деления — почти в пять раз меньше (0,12 ПБк/Мт). Подсчитано, что со времени взрыва первой атомной бомбы в 1945 г. до 1980 г. образовалось 249,2 ПБк углерода-14 (табл. 1).
С 1981 г. испытания ядерного оружия в атмосфере прекратились, и предприятия ядерно-топливного цикла оказались единственным мощным источником антропоген-ного нуклида, способным заметно влиять на повышение его концентрации в атмосфере и биосфере Земли. Этот нуклид образуется в активной зоне атомных реакторов любого типа, где существуют мощные потоки нейтронов, которые взаимодействуют с материалами конструкций реактора, с веществом теплоносителя, замедлителя, топлива и имеющимися в них примесями: ¹⁴N (п, р) ¹⁴С; ¹⁷O (n.a) ¹⁴С; ¹³C (n.y) ¹⁴С; ²³⁵U (n.f) ¹⁴C (тройное деление урана-235 в топливе). В зависимости от типа и особенностей конструкции реактора вклад каждой из этих реакций в образование нуклида может меняться очень значительно. Согласно расчетам, его удельный выход при облучении тепловыми нейтронами некоторых веществ, применяемых в качестве замедлителя или теплоносителя по реакции (n,р), в газообразном азоте и воздухе примерно на четыре порядка выше, чем по реакции (n,а) в воде, углекислом газе или кислороде воздуха благодаря большому сечению взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами азота (а = 1750 мбарн) и его высокому содержанию в воздухе (78%). Выход 14С по реакции (n,у) в графите, детолилметане, газойле и терфениле еще на порядок ниже, чем по реакции (n, а). Скорость образования углерода-14 в топливе зависит главным образом от концентрации примеси азота: при обычном его содержании (0,001—0,002%) скорость составляет примерно 0,4—2,5 ТБк/(ГВт/год), а в воде теплоносителя-замедлителя находится в пределах 0,2—0,5 ТБк/(ГВтэ/год) [1]. В действующих АЭС бывшего СССР используются в основном водо-водяные реакторы (ВВЭР-440 и ВВЭР-1000), водо-графит-ные (РБМК-1000 и РБМК-1500) и реакторы на быстрых нейтронах (БН-350 и БН-600). Первые и третьи реакторы аналогичны соответствующим типам зарубежных реакторов (PWR и PBR) по скорости генерации ¹⁴С и его выходу в окружающую среду. Реакторы РБМК с кипящей водой под давлением в качестве теплоносителя и графитом в качестве замедлителя не имеют аналогов в зарубежной практике реакторостроения. Их основная особенность — наличие большого количества азота в активной зоне, используемого в смеси с гелием для охлаждения замедлителя, и большой массы углерода самого замедлителя. Это приводит к большей скорости генерации ¹⁴С до величины 2— 3 ТБк/ (ГВтэ/год), что примерно на порядок больше, чем в реакторах типа ВВЭР [2]. Углерод-14, образующийся в теплоносителе и замедлителе, частично или полностью выбрасывается в окружающую среду в виде газоаэрозолей, а из топлива реакторов — с радиоактивными отходами заводов по его переработке (регенерации).

МИГРАЦИЯ ВО ВНЕШНЕЙ СРЕДЕ Радиоуглерод высоко подвижен. С мест выбросов в результате атмосферных процессов нуклид переносится на большие расстояния и, окисляясь до ¹⁴СО2, вступает в естественный круговорот углерода. Известно, что весь земной углерод сосредоточен в двух бассейнах — «осадочном» и «обменном». Углерод первого бассейна (органический и неорганический углерод осадочных пород, уголь, нефть и другие ископаемые) практически не участвует в естественных обменных процессах, он вступает в круговорот только после сжигания органического топлива. Углерод второго бассейна, в котором находится около 0,17% всего земного количества углерода, причем более 90% его — в глубинных водах Мирового океана, участвует в круговороте отдельными его резервуарами: атмосферой, биосферой, гидросферой и др.
Модель глобальной циркуляции углерода-14, поступающего в атмосферу с выбросами предприятий ядерно-топливного цикла (1) и со сбросами (2). Коэффициенты обмена приведены в отн. ед./год. Круговорот углерода в природе состоит как бы из двух циклов, проходящих параллельно в наземной и морской частях биосферы [3] и связанных атмосферой. Из множества моделей, описывающих поведение углерода в «обменном» бассейне, НКДАР использует для расчетов 8-резервуарную, в которой учитываются все основные процессы, проходящие в природном цикле углерода Земли. Скорость обмена углерода между резервуарами «обменного» бассейна различна: среднее время пребывания молекулы CO2 в атмосфере до ее перехода в воду океана составляет несколько лет, из его глубин в атмосферу — до нескольких сотен лет, а из осадочных пород в атмосферу даже несколько миллионов лет. Таким образом, осадочные породы являются как бы «могильником» радиоуглерода (естественного и искусственного), в котором он практически распадается и выходит из природного круговорота. КИНЕТИКА ОБМЕНА Окисленный во внешней среде, до ¹⁴СО2 углерод-14 за счет фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку. Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод — углерод растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трех месяцев За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963—1964 гг.) содержание ¹⁴C в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в два раза по сравнению с природным фоном. Заметим, период полуочищения продуктов питания составляет около шести лет [4]. В организм человека радиоуглерод поступает в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и жиров. Аэрогенное поступление незначительно — лишь 1% от пищевого. Чтобы понять, какое действие оказывает на организм. ¹⁴C, поступающий в виде органических и неорганических соединений, мы в опытах на крысах исследовали кинетику обмена. Выяснилось, что обмен неорганических соединений (На2¹⁴СОз, NaH¹⁴CO3, К2¹⁴СОз) характеризуется высокой интенсивностью; радиоуглерод обнаруживается в крови животных уже с первых минут поступления в организм, через 15 мин. его содержание достигает максимума — нескольких процентов от введенного количества. Образуя в крови непрочные бикарбонатмые соединения, радиоуглерод быстро выводится. В органах и тканях накапливается лишь незначительная часть введенного количества нуклида, причем распределяется он достаточно равномерно: вначале — в печени, почках, селезенке, а затем — в скелетной и жировой ткани. При длительном поступлении активность нуклида медленно накапливается — от 1,7% на вторые сутки до 7,7 на 32-е от ежедневно вводимого количества Na2¹⁴CO3. Можно считать, что к концу месяца опытов устанавливается равновесное состояние между поступлением нуклида и его содержанием в организме крыс, при этом кратность накопления примерно равна 0,07. В экспериментах по изучению обмена ¹⁴C в форме органических соединений мы использовали содержащие нуклид глюкозу, янтарную кислоту, глицин, валин, трипто-фан, глицерин, пальмитиновую и стеариновую кислоты, метиловый и этиловый спирты, т. е. соединения, входящие в состав важнейших классов: углеводов, белков, жиров и спиртов. Поступив в организм, высокомолекулярные соединения расщепляются до низкомолекулярных, углерод которых в конце концов окисляется до углекислоты. Одновременно синтезируются аминокислоты, жирные кислоты, гексозы и другие важные метаболиты, используемые организмом как энергетический и пластический материал. Таким образом, радионуклид проникает во все структуры и ткани живых организмов. Динамика его накопления при хроническом поступлении в виде органических соединений зависит от формы соединения. Равновесное содержание ¹⁴С-глюкозы наступает к концу третьего месяца (кратность накопления равна трем), ¹⁴С-глицина и ¹⁴С-пальмитиновой кислоты — к концу четвертого (кратность накопления соответственно 12 и 13) [5]. Скорость выведения из организма нуклида органических соединений в определенной мере тоже зависит от их класса: нуклид углеводов выводится интенсивнее, чем поступивший в форме аминокислот и жирных кислот, а введенный в составе спиртов задерживается дольше «углеводного», Со временем скорость выведения постепенно замедляется, видимо за счет того, что поступивший в организм нуклид используется как пластический материал. Радиоуглерод выводится в основном через органы дыхания, значительно меньше — через почки и кишечник, причем соотношение тоже зависит от формы соединения. Известно, что конечные метаболиты углеводов, жиров и спиртов — углекислота и вода, а белков — еще и мочевина, мочевая кислота, креатинин (последние и выводятся из организма почками и кишечником). Часть нуклида спиртов выдыхается в неизмененном виде. Результаты исследований на крысах мы использовали для оценки обмена углерода-14, поступающего в организм человека с пищей. Поскольку в стандартный рацион взрослого человека входит около 500 г углеводов, по 100 г жиров и белков, а доля углерода в них составляет соответственно 50, 75 и 54%, то с пищей мы получаем за день около 70, 20 и 10% углерода.
Если учесть, что кратность накопления нуклида, поступающего в составе этих соединений, равна 15, 65 и 60, то в стандартном рационе она окажется равной примерно 31. Это значение близко к кратности накопления у человека стабильного углерода и нуклида естественного происхождения. Наступление равновесного состояния будет определять радиоуглерод, поступающий с жирами и белками, и, памятуя различия в интенсивности обмена у крысы и человека, можно ожидать, что у последнего оно наступит примерно через 1,5 года после начала поступления нуклида в организм [6]. Таким образом, обмен радиоуглерода зависит от формы его соединения, что сказывается на величинах формируемых доз внутреннего облучения (табл. 2). Поглощенные дозы содержащих его органических веществ с момента поступления в организм до образования конечных метаболитов не одинаковы: в силу различий их метаболизма, но в среднем они в десятки-сотни раз больше, чем неорганических. Особенности метаболизма различных соединений радиоуглерода сказываются и на их токсичности.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ Эффект облучения, как известно, зависит от величины поглощенной, дозы, ее мощности, объема облучаемых тканей и органов и вида излучения. В основе повреждающего действия лежит комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов — ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих во взаимодействие с различными биологическими структурами клеток. Важноe значение имеет внутри- и межмолекулярная передача энергии возбуждения, а также возможные разрывы связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации. Физико-химические процессы, протекающие на начальном этапе, принято считать первичными, пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении функций органов и их систем. Особую опасность представляют радионуклиды, которые, накапливаясь в органах и тканях, становятся источником длительного внутреннего облучения. Характер его зависит от физико-химических свойств радионуклидов, среди них особое место, как отмечено, занимает углерод-14, поскольку является изотопом основного биогенного элемента. Биологическое действие его связывают не только с радиационными, но и трансмутационными эффектами, которые возникают при превращении атомов ¹⁴С в атомы ¹⁴N в результате (бета-распада. Особую опасность эти процессы могут приобрести при включении радиоуглерсда в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к неустранимым организмом точковым мутациям. Многие специалисты считают, что биологическая эффективность нуклида за счет трансмутационного действия должна существенно повыситься. Но результаты экспериментов оказались противоречивыми. Значение относительной биологической эффективности ¹⁴C, установленное разными исследователями7 по показателям генных мутаций (фаг, дрожжи, дрозофила), хромосомных аберраций (корешки лука и проростки бобов) и репродуктивной гибели клеток (культура ткани и бактерии), колеблется от 1 до 20. Видимо, это связано с разными условиями опытов, разнообразием тестов и условий облучения. Материалы исследований на теплокровных животных нам неизвестны. Мы изучали биологическое действие остропоражающих доз радиоуглеродв на мышей, используя органические соединения, которые могут моделировать поступление нуклида в составе белков (¹⁴С-глицин), жиров (¹⁴С-стеариновая кислота), а также ¹⁴С-янтарную кислоту, соединение, образующееся в организме в результате окисления углеводов, белков и жиров (т. е. всех основных пищевых продуктов) и их взаимных превращений в клетках. Состояние животных оценивали по клиническим, гематологическим, физиологическим, биохимическим, иммунологическим и патологоанатомическим показателям. Облучение животных было длительным, относительно равномерным. Различие в поглощенных дозах (их оценивали по данным специальных радиометрических исследований) в органах и тканях, за исключением жировой, дозы облучения которой были выше среднетканевых примерно в два-три раза, не превышало 1,5. К концу первого месяца дозы формировались примерно на 50%, а в течение трех-шести месяцев (в зависимости от соединения) — на 90%. Отмеченные особенности облучения имеют принципиальное значение в оценке биологической эффективности радиоуглерода, который характеризуется сравнительно невысокой радиотоксичностью, определяемой формой соединения. Для глицина доза, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут (СД 50/30), равна 6,3 МБк/г массы тела. К моменту гибели 50% мышей (средняя продолжительность жизни 17,5 ± ± 1,5 сут) cреднетканевая доза составила 8—1 Гр при мощности 0,08—0,02 сГр/мин. Тяжелые радиационные поражения мышей со смертельным исходом в течение первого месяца при введении ¹⁴С-стеариновой кислоты (2,2 МБк/г) связаны с тем, что на единицу введенной активности формируются более высокие дозы внутреннего облучения. Па результатам исследований биологического действия ¹⁴С-глицина, с учетом особенностей метаболизма и формируемых величин поглощенных доз на единицу введенной активности, мы оценили токсичность и других соединений радиоуглерода. Оказалось, что токсичность ¹⁴С-карбоната и бикарбоната натрия в 130 раз ниже, чем ¹⁴С-глицина, ¹⁴С-карбонатов калия и кальция — соответственно в 85 и 30 раз, ¹⁴С-глю-козы, ¹⁴С-глюкозамина и ¹⁴С-янтарной кислоты — примерно в четыре-раза, ¹⁴С-валина, ¹⁴С-этилового и ¹⁴С-метилового спиртов — почти такая же, как токсичность ¹⁴С-глицина, а ¹⁴С-триптофана, и ¹⁴С-пальмитиновой кислоты — примерно в четыре-пять раз выше. Учитывая содержание углеводов, белков и жиров в суточном рационе, мышей, мы рассчитали, что доза нуклида, вызывающая гибель 50% животных за 30 сут, приблизительно равна 15 МБк/г массы тела.
Содержание радиоуглерода в организме крыс при однократном введении в форме: ¹⁴С-бикарбоната натрия (1), ¹⁴С-карбонатов натрия (2), калия (3); и кальция (4); ¹⁴С-янтарной кислоты (5), ¹⁴С-глюкозамина (6), ¹⁴С-глюкозы (7), ¹⁴С-этилового (8) и метилового (9) спиртов, ¹⁴С-валина (10), ¹⁴С-глицерина (11), ¹⁴С-стеариновой кислоты (12), ¹⁴С-глицина (13), ¹⁴C-триптофана (14) и ¹⁴С-пальмитиновои кислоты (15). В клиническом течении острых поражений нуклидом, поступающим с пищей, не было существенных отличий от лучевой болезни, вызванной внешним гамма-облучением, так же выделялись известные периоды: скрытый, выраженных проявлений болезни и восстановительный (выздоровление или переход болезни в хроническую форму). Изменения показателей крови, по которым обычно судят о тяжести болезни, были типичными, нарушение обмена проявлялось в ожирении животных, отчетливо фиксировалось бластомогенное (опухолеродное) действие нуклида. При остром поражении они резко теряли свою массу и погибали на фоне глубокой лейкопении (низком содержании лейкоцитов в периферической крови). Тяжелые и средней тяжести поражения перешли в хроническую форму, медленно восстанавливались показатели крови. Выздоровление крайне затянулось. Продолжительность жизни (в зависимости от тяжести поражения) была существенно ниже, чем у контрольных мышей. Концепция беспорогового действия ионизирующей радиации поставила проблему малых доз. Опасность доз на уровне естественного облучения связывают в основном с индуцированием мутаций (их число определяется величиной поглощенной дозы) в соматических: » половых клетках. Мутации в соматических клетках приводят к росту злокачественных новообразований и другим нарушениям, в половых—к снижению воспроизводительной функции, отклонению нормального развития и наследственным болезням. При воздействии малых доз возможны медленно развивающиеся нарушения с широким индивидуальным разбросом, зависящим от исходного состояния организма и его наследственных особенностей. Биологическое действие малых доз углерода-14 в условиях хронического поступления мы исследовали в опытах на крысах. Животные восьми групп получали его ежедневно с питьевой водой в форме 14С-глюкозы в течение всей жизни в количестве 92,5; 18,3; 13; 1,9; 1,3; 0,2; 0,1 и 0,01 кБк/г массы тела. Среднетканевые поглощенные дозы составили соответственно 233; 47; 11,5; 1; 0,5; 0,1 и 0,01 мГр в год. Состояние крыс оценивалось клиническими, гематологическими, физиологическими, биохимическими, иммунологически-ми и морфологическими показателями. В начальный период состояние подопытных и контрольных животных существенно не отличалось, но в последующем выявились функциональные изменения, которые можно оценить как реакцию на облучение. И в конце опытов (в основном в трех первых группах) обнаружилась морфологическая патология в легких, почках и печени, снизилась воспроизводительная функция. Видимо, в начальный период организму удается компенсировать нарушения, но затем, по мере накопления радиационных повреждений сказывается недостаточность механизмов репарации и адаптивных реакций. В результате снижаются устойчивость организма к другим неблагоприятным факторам внешней среды и продолжительность жизни. Состояние крыс, облученных меньшими дозами (четвертая — восьмая группы), оставалось без существенных изменений в течение всего опыта, хотя и проявлялась тенденция к более раннему появлению опухолей молочных желез по сравнению с контрольными животными. Количественные различия, однако, оказались статистически недостоверными.
Генетические эффекты действия радиоуглерода мы изучали (совместно с сотрудниками Института общей генетики РАН В.А. Шевченко, М.Д. Померанцевой и Л.К. Рамайя) на разных стадиях сперматогенеза у мышей при однократном, длительном и хроническом введении самцам ¹⁴С-глюкозы. Через три месяца после однократного введения нуклида дозы облучения составили 0,22; 0,5; и 1,01 Гр, при длительном—0,74 и 1,47 (к концу опыта) и хроническом — 0,066 и 0,013 Гр/год. Мы сопоставили частоту доминантных летальных мутаций в пост- и премейотических половых клетках, частоту реципрок-ных транслокаций (обмена двумя участками между гомологическими хромосомами) в сперматогониях и частоту встречаемости аномальных головок спермиев с этими же показателями при действии внешнего гамма-излучения. Выяснилось, что относительная генетическая эффективность радиоуглерода составляет примерно 1—2, причем трансмутационные последствия не выявляются — видимо, ¹⁴С-глюкоза не проникает в ДНК половых клеток. Наши выводы вряд ли следует считать окончательными, радиационное действие на живой организм требует множества специальных исследований. Итак, мы имеем некоторые экспериментальные результаты по действию разных доз радиоуглерода на животных. Можно ли на основании этого оценить соматические и генетические последствия в человеческой популяции при повышении концентрации нуклида? Мы попытались сделать это (табл. 3), приняв во внимание, что при происходящем глобальном загрязнении окружающей среды радиоуглеродом устанавливается равновесие в цепи «атмосфера — продукты питания — человек» с коэффициентом дискриминации во всей цепочке, равным 1 ; ядерные испытания в атмосфере прекращены; существует беспороговое линейное соотношение доза/эффект. При генетической эффективности нуклида, равной 1 (без трансмутаций), можно ожидать, что число онкогенных заболеваний со смертельным исходом в популяции из 10⁶ человек и среди 10⁶ новорожденных при облучении в дозе 10⁶ чел.-Гр составит 124 и 40 случаев соответственно. Для сравнения отметим: смертность от новообразований различной этиологии и локализации (без учета действия ионизирующего облучения) достигает 1500—2000 случаев в год в такой же популяции людей, а естественная частота генетических нарушений — 60 тыс. случаев на 10 млн. детей, причем 16 тыс. — тяжелые дефекты. Итак, воздействию глобального радионуклида — углерода-14 — подвергаются все представители растительного и животного мира. Не исключено, что в экосистемах существуют менее устойчивые объекты, чем человек, потому повышение концентрации радиоуглерода во внешней среде представляет не только гигиеническую, но и экологическую проблему... Отсутствие явного генетического груза как результата облучения естественным радиоуглеродом, видимо, связано с выработкой в ходе эволюции защитных механизмов, которые устраняют мутационные повреждения на разных стадиях развития организмов. Но с увеличением доз облучения эти механизмы могут оказаться недостаточно эффективными.