Пути образования радиоактивного изотопа углерода и влияние его на человека и животных

Оценка состояния окружающей среды сегодня является одним из приоритетных и актуальных направлений. В последнее время большое внимание уделяется охране окружающей среды, особенно в связи с развитием атомной индустрии. Эксплуатация ядерных реакторов в настоящее время – это обычный рутинный процесс, но, несмотря на достаточно высокий уровень развития атомной промышленности, система работы атомных станций требует специальных охранных и контролирующих мероприятий. Поступление отходов ядерного цикла в окружающую среду приводит к процессам загрязнения и повышения радиационной опасности, которая может вести к гибели живых организмов.

Одним из опасных радиоактивных изотопов, поступающих в окружающую среду, является радиоактивный изотоп углерода. Несмотря на то, что количество радиоуглерода, которое выделяется в окружающую среду при работе реакторного цикла, представляет сравнительно небольшую долю от общего загрязнения радионуклидами, вклад в общую эффективную дозу облучения этого радионуклида составляет около 56%. Разрушающее воздействие изотопа радиоуглерода на живые организмы определяется его биологическим сродством к тканям живого организма. Кроме того, большое значение радиоуглерод имеет за счет своей нестабильности по отношению к стабильным изотопам углерода.

Благодаря постоянным потокам космических лучей, бомбардирующих атмосферу Земли, образование ¹⁴С происходит постоянно. Полученный углерод быстро окисляется до ¹⁴СО₂ и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в пищевую цепь других организмов. Таким образом, каждый живой организм постоянно получает определённое количество ¹⁴С в течение всей жизни. Как только организм погибает, такой обмен прекращается, и накопленный ¹⁴С постепенно распадается в реакции бета-распада. Испуская электрон и антинейтрино, ¹⁴С превращается в стабильный азот. Совместный эффект радиоактивных потерь и новых образований в стратосфере приводит к постоянной, хотя и незначительной, равновесной концентрации ¹⁴C в биосфере [3]. Выбросы ¹⁴С из АЭС являются дополнительным фактором накопления этого радионуклида в атмосфере, составляющим десятые доли процента от уровня естественного фона.

Удельная активность ¹⁴С в биосфере на поверхности Земли достигает 230 Бк/кг природного углерода. В настоящее время в развитых странах начинают уделять все большее внимание вопросам геохимии долгоживущих радионуклидов ³Н и ¹⁴С в различных компонентах окружающей среды в связи с различными задачами, касающимися охраны окружающей среды и безопасности человека. Большое внимание уделяется исследованиям поведения радиоактивного изотопа углерода во многих странах в связи с загрязнением морской среды. Средние содержания радиоактивного изотопа углерода в водах и биоте в прибрежной морской зоне, в удаленной части от потенциально опасных источников составляют 247,6±1 Bq/kg. ¹⁴C активность в растворенном органическом углероде морской воды и части морской биоты существенно превышает «ожидаемые» фоновые значения в окружающей среде. Такое загрязнение оказывает влияние на морскую биоту, которая извлекает углерод из воды [1].

Высокие концентрации радиоуглерода могут быть зафиксированы не только в растительности, но и в яичной скорлупе пернатых птиц, которые гнездуются в зоне развития болот. Самые высокие концентрации радиоуглерода характерны для яичной скорлупы птиц, которые гнездуются в мелководных водоемах и в верхней части увлажненных почвенных горизонтов. Были построены модели поведения этих радионуклидов и накопления их биологическими объектами при внезапном увеличении концентрации радионуклидов в почвах, прослежена динамика этих радионуклидов на суше и в воде. Результаты показали, что увеличение содержания радиоизотопа углерода оказывает неблагоприятное влияние на рост многих растений, например, риса. Изменения содержания этих радионуклидов может играть ключевую роль в процессах биологического развития живых организмов [2].

Изменение концентрации радиоуглерода в траве городов является чутким индикатором изменения СО₂, который поступает в воздух при сжигании бензинового топлива. Поэтому в больших городах определение содержания ¹⁴С было предложено использовать для установления величины загрязнения воздуха отработанными газами.

Анализ определения содержания ¹⁴С в кольцах деревьев показал достаточно быстрые изменения в атмосфере этого радионуклида. Аномальные значения содержания ¹⁴С в кольцах деревьев также можно использовать как маркер для уточнения дендрохронологических построений, тогда, когда возникают проблемы при подсчете прироста колец. В целлюлозе колец деревьев точно отражено текущее атмосферное состояние содержания радиоуглерода за период роста.

В процессе фотосинтеза ¹⁴С усваивается растениями, через которые он попадает в организмы животных и человека. Локальные очаги загрязнения ¹⁴С могут оказаться, как вблизи АЭС на расстоянии 1–2 км от ее выбросной вентиляционной трубы, так и в растениях, находящихся от АЭС на расстоянии 20–30 км. Повреждающее действие ¹⁴С, вошедшего в состав молекул белков и, особенно, в ДНК и РНК живого организма, обусловлено как радиационным воздействием β-частиц и ядер отдачи азота, так и изменением химического состава молекулы в результате превращения атома углерода в атом азота [2].

 Значительная часть повреждений ДНК при распаде ¹⁴С приводит преимущественно к генным мутациям второго и третьего порядков, связанным с изменением химической структуры кодонов. Такие изменения практически не восстанавливаются системой репарации и являются необратимыми. Процесс образования радиоуглерода в атмосфере и стадии его поступления в окружающую среду. По данным, трансмутации составляют около 10 % всех повреждений (генетических и соматических), являющихся следствием облучения человека и животных содержащимся в организме ¹⁴С.

Разрушающее воздействие изотопа радиоуглерода на живые организмы определяется его биологическим сродством к тканям живого организма. Так, загрязнение ¹⁴С оказывает разрушающее воздействие на живые организмы, повреждает молекулы ДНК и РНК, вызывая генные мутации. Такие изменения практически не восстанавливаются системой репарации, то есть ¹⁴С оказывают необратимое действие на организм человека и животных. Большое внимание уделяется исследованиям поведения радиоактивного изотопа углерода во многих странах в связи с загрязнением морской среды. Изменения содержания этого изотопа также может играть ключевую роль в процессах биологического развития живых организмов, поэтому изучение данного изотопа имеет важное значение для современного мира [3].

Таким образом, можно сказать, что несмотря на небольшой уровень радиоактивного изотопа углерода в атмосфере и его сравнительно невысокую активность, он оказывает огромное влияние на живые организмы.

Список литературы:

1. Брайцева О.А. Радиоуглерод в археологических и палеоэкологических исследованиях / О. А. Брайцева, Л. Д. Сулержицкий – СПб., 2011. – 94 с.
2. Зазовская Э.П. Радиоуглеродное датирование органического вещества почв и седиментов: опыт применения в археологическом почвоведении / Э.П. Зазовская, О.А. Чичагова // Мат-лы Всерос. конф. по археологическому почвоведению, посвященной памяти проф. В.А. Демкина. – Пущино, 2014. – С. 25–29.

Марченко Ж.В. Начальные результаты по датированию археологических памятников эпохи голоцена на УМС в ЦКП СО РАН – Геохронология кайнозоя: экспериментальные 14 С и сравнительный анализ данных / Ж.В. Марченко, В.С. Панов, Л. А. Орлова // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. – 2013. – №XIX. – С. 244–250.