Особенности биологического действия радиоактивных аэрозолей

Кинетика радионуклидов в организме при ингаляционном поступлении. При одних и тех же количествах радионуклидов внутреннее облучение существенно опаснее для человека, чем внешнее. Это обусловлено тем, что при внутреннем облучении нет возможности применить те способы защиты, которые используются при внешнем облучении - нельзя ни удалиться от источника облучения, ни защититься от него, ни сократить время облучения. К тому же при внутреннем облучении радионуклиды могут накапливаться избирательно в каких-то органах, усиливая облучение этих органов.

Радионуклиды, которые попали внутрь организма, называют инкорпорированными радионуклидами. Существует три пути попадания радионуклидов из внешней среды внутрь человеческого организма: с воздухом через органы дыхания (ингаляционное поступление), с водой и пищей через органы пищеварения (пероральное поступление) и через кожу[25]. При поступлении радионуклида внутрь организма степень его опасности для человека определяется скоростью его всасывания в кровь, скоростью выведения из организма, а также способностью этого нуклида накапливаться в том или ином органе. Эти процессы зависят от следующих важных факторов: химической формы соединения радионуклида и степени растворимости этого соединения в той жидкой среде, в которую он поступил, от времени нахождения этого радионуклида в органе, от состояния организма (например, если аналога поступившего радионуклида в организме не хватает, радионуклид будет откладываться именно в местах концентрации недостающего аналога) и, конечно, от функциональных особенностей органа, в который радионуклид поступил.

Считается, что из трех возможных путей поступления радионуклидов в организм (ингаляционный, пероральный и через кожу) наибольший вред человеку причиняет вдыхание загрязненного радионуклидами воздуха. Это обусловлено, во-первых, большим количеством потребляемого воздуха (через легкие за сутки проходят большие объемы воздуха, около 20 м³, воды же всего около 2 л). Во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее ингаляционным путем в организм человека, имеет возможность поступать непосредственно в кровь[26], и, в-третьих, органы дыхания обладают прекрасной адсорбирующей способностью, в частности, из-за своей большой площади поверхности (площадь дыхательной поверхности легких - 50 - 55 м²).

Ингаляционное поступление аэрозолей внутрь организма осуществляется через органы дыхания, которые состоят из носовой полости, глотки, трахеи, бронхов и легких. Воздух вдыхается через нос и рот и спускается в легкие по трахее и по разветвляющимся, как дерево трубкам - бронхам и бронхиолам. На конечных бронхиальных веточках «бронхиального дерева» находятся альвеолы - крохотные мешочки, заполненные воздухом. Легкие похожи на губку, поскольку они состоят из миллионов таких мельчайших мешочков. Альвеолы оплетены густой сетью капилляров, и именно здесь происходит жизненно важный обмен кислорода и углекислого газа. В альвеолах кровь непосредственно контактирует с вдыхаемым воздухом; при этом кислород (вместе с радиоактивными веществами) поступает в кровоток, а углекислый газ из него выходит и выдыхается.

Слизистая оболочка дыхательных путей (трахеи, бронхов и бронхиол) выстлана мерцательным эпителием, внешняя поверхность которого имеет реснички, способные сокращаться только в направлении ротовой и носовой полостей, т.е. можно сказать, что наличие мерцательного эпителия является защитной реакцией организма, благодаря которой часть аэрозольных частиц, попавших в дыхательную систему, возвращается обратно. Наиболее эффективно удаляются из легких частицы размером более 2 мкм. Для очень мелких частиц (< 1 мкм) роль мерцательного эпителия незначительна. Таким образом, в процессе дыхания аэрозольные частицы вместе с воздухом через трахею и бронхи попадают в альвеолярные ткани, а оттуда (после преобразования в растворимую форму) в лимфатическую систему или кровь.

Относительная радиационная опасность радионуклидов. Зная основные закономерности распределения и накопления различных радионуклидов в органах человека (учитывая константы переноса, физические и химические характеристики элемента), можно распределить радионуклиды по степени относительной радиационной опасности. Значения предела годового поступления (ПГП) некоторых радионуклидов в воздухе представлены в табл. 4.4[27]. Из этих данных видно, что диапазон значений пределов годового поступления очень широк (занимает семь порядков величины).

Таблица 4.4

Значения предела годового поступления с воздухом некоторых

радионуклидов для населения

Радионуклид	Период полураспада	ebmax, кэВ	eg, кэВ (квантовый выход, отн. ед.)	Предел годового поступления с воздухом , Бк/год
Тритий-3	12,3 лет		-	3,7×106
Углерод-14	5730 лет		-	4,0×105
Фосфор-32	14,35 сут		-	2,5×105
Кобальт-60	5,3 лет		1333 1170	8,3×104
Стронций-89	51 сут		-	1,4×105
Стронций-90	28,1 лет		-	2,0×104
Цирконий-95	64,05 сут.		757 724	1,7×105
Рутений-106	368 сут		622 512	3,6×104
Йод-131	8,04 сут			1,4×104
Цезий-134	2,06 лет		605 796	1,5×105
Цезий-137	30,174 лет			2,2×105
Радий-226	1600 лет	-	g-изл. дочерних продуктов	220
Плутоний-239	2,4×104 лет	-	-
Уран-238	4,51×109 лет	-	g-изл. дочерних продуктов

Для определения радиационной опасности радионуклида большое значение имеет его период полураспада. Так, в химическом отношении одинаковые изотопы стронция (⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr) имеют пределы годового поступления, отличающиеся в 20 и 30 раз для воздуха и воды соответственно. Такая же зависимость просматривается и для изотопов рутения (¹⁰³Ru: Т _1/2 = 40 сут, ПГП = 14 Бк; ¹⁰⁶Ru: Т _1/2 = 1 год, ПГП = 1,4 Бк), йода (¹³³J: Т _1/2 = 20 ч, ПГП = 8 Бк; ¹³⁵J: Т _1/2 = 6,7 ч, ПГП = 26 Бк) и некоторых других радионуклидов.

Важным фактором при определении предела годового поступления является способность нуклида локализовываться в отдельных органах – для неконцентрирующегося нуклида облучаемая масса (все тело стандартного человека) на порядок больше массы того органа, в котором откладывается радионуклид. Можно сопоставить два долгоживущих изотопа, имеющих практически одинаковый период полураспада - ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. Их пределы годового поступления отличаются на порядок, и это обусловлено в том числе и тем, что ¹³⁷Cs имеет равномерное распределение по всему организму, а ⁹⁰Sr концентрируется в основном в костях.

Очень большие значения пределов годового поступления (в тысячи раз больше, чем для других b-g-излучателей) для изотопов водорода (³Н, Е _bmax = 18 кэВ) и углерода (¹⁴С, Е _bmax = 158 кэВ) объясняются, в частности, тем, что эти изотопы участвуют в водном и углеродном обмене, активно протекающем в живом организме – поэтому они практически не концентрируются ни в каких органах, к тому же имеют низкую энергию b-излучения. В то же время такие радионуклиды как цезий, рутений, ниобий, имеющие также равномерное распределение по организму, имеют предел годового поступления значительно ниже, чем для водорода и трития. Это обусловлено как более высоким значением максимальной энергии b-спектра этих нуклидов Е _bmax, так и наличием сопутствующего g-излучения.

Как видно из табл. 4.4, наиболее радиационно опасными являются α-излучатели - ²²⁶Ra, ²³⁹Pu. Эти радионуклиды, во-первых, концентрируются преимущественно в костной ткани (а не распределяются равномерно по всему организму), во-вторых, имеют большой период полураспада, и в-третьих, испускают α-частицы, имеющие наиболее высокое значение относительной биологической эффективности.