CC BY
53
ОБЗОРЫ
УДК 612.015.2:546.36.02.137(047>
ЦЕЗИИ-137 В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
А. А. Моисеев (Москва)
Среди более чем двухсот радиоактивных изотопов, образующихся при взрыве ядерного устройства, наибольшую потенциальную опасность для человека наряду со стронцием-90 (Sr90) представляет цезий-137 (Cs137). Схема распада Cs137 приведена на рис. 1.
Выход Cs137 при делении меняется в зависимости от характера делящегося ядра и энергии нейтронов, вызывающих деление. Данные о выходе Cs137 при делении ядер урана, плутония и тория на тепловых и быстрых нейтронах приведены в табл. 1 Ввиду того что в ядерных устройствах могут использоваться комбинации различных делящихся материалов, фактический выход при делении в каждом конкретном
случае может несколько отличаться от величин, приведенных в табл. 1.
Согласно результатам непосредственных измерений, проведенных американскими исследователями в 1959—1962 гг., выход Cs137 колеблется от 5,57% (Hardy и соавторы) до 5,76% (Holland). На основании этих данных было рассчитано, что на каждые 10 Мт энергии деления образуется примерно 1,7 Мкюри Cs137 (Hallden и Fisenne).
fl-{32%). fßmox = 0.51 Шв
T,/_ = 2.6-мин
Рис. 1. Схема распада Cs137.
Таблица 1
Выход Cs137 при делении
Делящийся изотоп Уран-235 Уран-238 Торий-232 Плутоний- 239
Энергия нейтронов тепловые нейтроны быстрые нейтроны нейтроны с энергией 14,6 Мэв быстрые нейтроны нейтроны с энергией 14,6 Мэв быстрые нейтроны быстрые нейтроны
Выход при делении (в %) 6,15 6,18 5,10 6,20 5,71 6,30 6,80
По своим химическим свойствам Сб напоминает калий (К). Это, а также тот факт, что современные методы у-спектрометрии ядерных
Доклад научного комитета ООН, 1962.
излучений позволяют одновременно измерять содержание в исследуемой пробе как искусственного радиоактивного изотопа Cs137, так и природного изотопа К40, способствовали введению, подобно стронциевой единице— sunshine unit, цезиевой единицы — moonshine unit, равной 10~12 кюри Cs137 на 1 г К в исследуемом объекте.
Выпадая на почву с радиоактивными осадками, Cs137 включается в общий круговорот веществ в биосфере и по пищевым цепочкам может поступать в организм человека.
Попавший в почву Cs137, как правило, прочно удерживается в ее поверхностном слое и очень слабо (примерно в 10 раз хуже Sr90) усваивается растениями из почв, характерных для большинства районов средних широт северного полушария (Larson и Neel; Martell). Относительно низкое поглощение Cs137 растениями из почвы объясняется тем, что, выпадая на поверхность почвы, этот изотоп, подобно К, поступает в кристаллическую структуру минералов и образует трудно растворимые соединения.
Рядом авторов (Langham и Anderson; McNeill и Trojan) получены ориентировочные данные о коэффициенте дискриминации DF «тело человека — почва», который равен 0,03—0,045. Следовательно, только 3— 4,5% всего количества Cs137 (отнесенного на 1 г обменного К) поступает из почвы в организм человека, а полный защитный коэффициент для этой пищевой цепочки равен 22—33. Следует, однако, отметить, что в период испытаний ядерного оружия в атмосфере, а также после него, когда происходит интенсивное выпадение Cs137 с радиоактивными осадками из стратосферы и тропосферы, значение первого звена рассмотренной пищевой цепочки «почва — растение» очень мало. В результате прямого оседания Cs137 с радиоактивными осадками на листву и, соцветия растений общий DF для цепочки «растение — человек» увеличивается до 3—4,5, что приводит в этот период к значительно более интенсивному поступлению Cs137 в организм человека с продуктами питания растительного и животного происхождения (Н. Г. Гусев).
Радиохимические и ^спектрометрические исследования отдельных пищевых продуктов и рационов питания населения Канады и США, проведенные в середине 1961 г., показали, что в этих странах около 60% Cs137 поступало в организм с молоком и 25—35% —с мясными продуктами Приближенные вычисления, основанные на данных Yamagato об уровнях содержания Cs137 в пищевых продуктах Японии, позволяют считать, что примерно 50% Cs137 поступает в организм жителя этой страны с зерновыми продуктами, а остальные 50%—с овощами, молоком и мясом.
В то время как Sr и Ca (кальций) ведут себя в биологических системах сравнительно одинаково, для Cs и К не будет достаточно полной аналогии между их химическими свойствами 2. В некоторых работах (Wasserman; Green и соавторы; Monroe и соавторы) показано, что в различных органах и тканях организма животного Cs137 и К распределяются по-разному и общий DF варьирует в зависимости от ряда факторов (возраста, температуры и т. д.). Все это дает основание считать, что коэффициенты дискриминации целесообразно использовать только при качественной, а не количественной оценке механизма миграции Cs137 по пищевым цепочкам и накоплению его в организме человека.
Как подтвердили многочисленные эксперименты, Cs и К усваиваются из желудочно-кишечного тракта фактически целиком и распределяются в основном в мягких тканях3 (Cohn и соавторы). По наблюдениям некоторых исследователей, Cs137 хорошо накапливается не только
1 Доклад научного комитета ООН, 1962 г.
! Тан же.
3 Т а м же.
6*
83
в мышцах, но и в костной ткани. Проведенные в Японии в 1958—1960 гг. измерения содержания Cs137 в образцах, отобранных от 114 трупов, показали, что отношение активности, содержащейся в костях (включая костный мозг) и мышечной ткани, было равно 2,2 (Yamagata). Однако дальнейшие многочисленные исследования (Harrison; Yamagata; Anderson) не подтвердили существования такой разницы; было отмечено лишь очень незначительное увеличение концентрации Cs137 в костях.
В других работах отмечается, что после внутреннего введения Cs137 в организм пациента содержание этого изотопа в костной ткани (после вскрытия) было несколько ниже, чем в мышечной ткани (Rosoff и соавторы).
При однократном поступлении Cs137 можно выделить по крайней мере 2 механизма выведения его из организма человека (Langham; Rundo и Newton; Richmond и соавторы; Cohn и соавторы). Небольшая доля изотопа (от 10 до 15%) выводится из организма с периодом полувыведения 1 — l'/г Дня. Остальное количество Cs137 выводится более медленно, с периодом полувыведения от 25—60 до 150—180 дней. Период полувыведения Cs137 из организма детей колеблется от 38 до 44 дней (Miettinen и соавторы; Rundo).
Величина биологического и эффективного периода полувыведения медленно выводящейся доли Cs137 из организма людей, по данным различных авторов, приведена в табл. 2.
Таблица 2
Период полувыведения Cs137 из организма человека
Критический орган Период полувыведения (в днях) Автор, год
биологический эффективный
Все тело 110 Miller, 1956
» » 150 Powe, 1956
» » 140—145 — Anderson, 1957
» » 25 — Graul, 1957
Мышцы — 17 Graul, 1957
Все тело 25 — Merkler, 1957
Мышцы 17 17 Merkler, 1957
Все тело 92; 157 — Miller, 1957
» > 143 — Richmond, 1958
» » 180 — Stewart, 1958
» » 70 70 MKP3, 195S
Мышцы 140 138 MKP3, 1959
Все тело 110; 115; 119 — McNeill, 1959
» » 110—140 — Lant, 1959
Мышцы 17 17 Frost, 1960
Все тело — 63' M. H. Фатеева, 1960
» » НО — Woodward, 1960
» » 81 — 143 _ Baarli, 1961
» » 74 _ Liden, 1961
» » 76 — Yamagata, 1962
» » 110 — Rindo и Newton, 1962
» » 48— 128 (87)2 — Rundo, 1962
» » — 80 — 130 Taylor, 1962
» » 110— 147 (135) —. Richmond, 1962
» » 54 — 114 (75) — Cohn, 1963
» » 80 _ Hammond, 1963
» » 74 _ Miettinen, 1963
» » 68 — Liden, 1963
1 Эффективный период вычислен на основании данных, приведенных в работе М. Н. Фатеевой.
2 Здесь и далее в скобках приведены средние значения.
Для практических целей при расчете уровней накопления Cs137 в организме или тканевых доз от инкорпорированного Cs137 долей изотопа, быстро выводящейся из организма, практически не создавая дозы облучения, можно пренебречь. Ошибка такого приближения не превышает 1% (Rundo; Richmond и соавторы). На рис. 2 и 3 приведены
90 80 70 60 50 «Sí 40 30
I? -
p я ад
О о
—-3"
ТГ ■7Г
о о -й-гъ
1111111111_1_I_I—
Ю ¡5 го 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Возраст человека ( в годах)
Рис. 2. Зависимость содержания Се137 в теле человека от его возраста и пола (в пересчете на 1 г К)-
1 — мужчины; 2 — женщины.
/0 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 возраст человека (в годах)
70 75
Рис 3. Зависимость содержания Се'37 в теле человека от его возраста и пола (в пересчете на 1 кг веса). I — мужчины; 2 — женщины.
данные, характеризующие содержание Се137 в организме людей в зависимости от возраста и пола обследованных (Onstead и соавторы). Из этих данных видно, что, во-первых, концентрация Сэ137 на единицу веса тела увеличивается с возрастом, достигая максимума в возрасте 20— 22 лет, и затем начинает монотонно снижаться; во-вторых, концентрация Се137 на 1 г К в организме человека к 22-летнему возрасту достигает постоянной величины и в дальнейшем не изменяется; в-третьих, у женщин концентрация Сб137 на 1 кг веса тела примерно на 50% меньше, чем у мужчин, однако если содержание Сб137 выражать в цезиевых
единицах, то это различие составит всего 10—15%; в-четвертых, усвоение Cs и К организмом человека также зависит от возраста человека. Меньшая величина удельной активности (в цезиевых единицах) у детей указывает на то, что в детском организме происходит большая дискриминация Cs по сравнению с К- Более ранними работами было установлено, что у взрослых, наоборот, наблюдается дискриминация К по сравнению с Cs.
Относительно короткий период полувыведения Cs137 из организма приводит к тому, что между концентрациями этого изотопа в пищевом рационе и организме человека быстро (фактически через несколько периодов полувыведения) устанавливается равновесие, при котором в организме не происходит дальнейшего значительного накопления Cs137 в случае, если активность рациона остается в этот период примерно постоянной.
Изменение уровней содержания калия в рационе оказывает малый эффект на скорости выведения Cs137 из организма человека (McNeill и соавторы; Langham и Anderson). Увеличение суточного поступления К в организм вызывает лишь кратковременное увеличение скорости выведения Cs137 из организма с мочой, после чего она быстро возвращается к первоначальной величине (McNeill). Эффективный период полувыведения Cs137 из человеческого организма сравнительно невелик, поэтому колебания концентраций этого изотопа в теле человека на 1 кг веса или на 1 г калия у различных возрастных групп незначительны. Это обстоятельство позволяет использовать данные о содержании Cs137 в организме взрослых людей для вычисления дозы облучения от этого элемента для всей популяции.
Если принять при расчетах, что метаболизм Cs137 в организме человека хорошо описывается моделью с 2 экспонентами, то можно содержание Cs137 в любой интересующий нас период при хроническом поступлении этого изотопа в ооганизм с диетой в течение времени t достаточно точно оценить с помощью соотношения 1 (Miettinen и соавторы):
1 — е~к
(1-Р) • q
1 • t
(1).
где A(t)—содержание Cs137 в организме человека на время t (в 10~9 кюри); А0 — содержание Cs137 в организме при ¿ = 0; Ю-9 кюри-, q — количество Cs137, ежесуточно поступающее в организм человека (в Ю-9 кюри)-, К — постоянная физического распада Cs137 (в день "'); Х,1 — постоянная быстрого биологического выведения Cs137 из организма (в день-1); Я.2 — постоянная медленного выведения Cs137 из организма (в день -1); Р — доля изотопа, которая быстро выводится из организма после однократного поступления.
Так как A,i~50A,2, а Р»0,12, то вторым членом в уравнении 1 можно пренебречь. Учитывая также, что Х2> X (Х~1% Я2), соотношение 1 можно переписать в виде:
A(t) = Ae-е-*-'-' ■ «7(1 -е-*''*) (2).
Данные, характеризующие уровни среднего содержания Cs137 в организме человека за период с 1956 по 1963 г. включительно, измеренные с помощью больших сцинтилляционных счетчиков, сведены в табл. З1 (Palmer, Madshus и соавторы). Все сведения в таблице при-
1 Доклад Научного комитета ООН, 1962.
X
ведены в цезиевых единицах. Объясняется это, во-первых, тем, что воз- ™ растные и половые различия в этом х случае минимальны. Это особенно ^ важно, когда неизвестны соотноше- я ния между мужчинами и женщина- н ми в обследуемой группе и их возрасте. Во-вторых, эти величины хорошо коррелируют с концентрацией Cs137 на единицу веса мышечной и костной ткани (без учета жировой) по сравнению с единицей веса всего тела и позволяют, следовательно, более точно рассчитать величины тканевой дозы. Отмечается совпадение полученных в различных лабораториях данных о среднем содер- | жании Cs137 в организме людей, проживающих в северном полу- я шарии. §■ Однако в ряде районов северно- в го полушария (Аляска, север Кана-ды и Скандинавского полуострова) ввиду специфических для них экологических условий наблюдаются бо- = лее высокие уровни содержания Cs137 а в организме коренных жителей, г доходящие в отдельных случаях * до 0,9 ммкюри (Miettinen и соав- 2 торы; Madshus и соавторы; Palmer; ® Baaríi). и В результате приблизительно s гомогенного распределения в орга- ¡3 низме человека Cs137 создает доста- х точно равномерную дозу облучения § различных органов и тканей. Этот изотоп является у- и р-излучателем. Его тканевая доза на единицу удельной активности (Di) меняется в зависимости от веса и роста человека, х которые влияют на эффективность 5 поглощения у-излучений в его теле. Этот эффект принял во внимание Miettinen путем использования соответствующих геометрических факторов, рассчитанных Loevinger с соавторами, в виде дозовых коэффициентов на единицу удельной активности за счет р-излучения и конверсионных электронов (Dр) и за счет у- и рентгеновского излучения (Dy) . Соответствующие сведения приведены в табл. 4.
В случае периодического изменения концентрации Cs137 в рационе во времени тканевая доза может быть подсчитана с помощью соотношения 3:
1963 г. 89 (867)
1962 г. 30'(861)
1961 г. 31 (245) 43 (963) 49 (2) 29 (42) 26 (5) 35 (1) 36 (1)
1960 г. 55 (949) 63 (1 891) 30 (7) 50 (146) 51 (2) 45 (10) 51 (2)
1959 г. 69 (1 089) 65 (302) 54 (1) 67 (72) 56 (15) 59 (14) 51 (3) 74 (5)
1958 г. 65 (1 069) 69 (83) 61 (3) 71 (18) 66 (3) 66 (3) 52 (2)
1957 г. —. О") оо ^ .—^ 8. О ¡ , , й I о —с Г- -ч< <м Ю СО —• ю
1956 г. стГ^ Г- ОО Ее. | са | j | О <N Ю to LO СП см —
Широта > 30° сев. >30° » >30° » >30° » <30° » < 10° » 20° южн.
Район мира Северная Америка........... Европа.................. Ближний Восток ............ Дальний » ............ Азия.................. Центральная Америка ......... Африка ................. Океания................
D =
Pß.v
365 ■ W ■
1 — e
- Яо
1-Я
■Яп
4,(1 -P) qn- in (3)
где Др,т — мощность дозы облучения (в мбэр/год) при постоянном содержании Се137 в организме человека 10~9 кюри/кг; —постоянное суточное поступление Сэ137 в организм в п период (в Ю-9 кюри/день); А0,„ —содержание Сб137 в организме в начале п периода (в Ю-9 кюри)-,
365 — число дней в году; №— вес
Таблица 4
Тканевая мощность дозы при содержании
_9
в организме человека 10 кюри Се137 на 1 кг веса
Вес тела (в кг) Рост (в см) Мощность дозы (в мбэр/год)
D V Dß,V= +
35 110 4,5 2,9 7,4
70 170 4,5 3,5 8,0
100 170 4,5 4,0 8,5
— - 4,5 10,6 15,1
тела (в кг).
Научный комитет ООН по действию атомной радиации рекомендует, производя оценочные расчеты уровней внутреннего облучения, принимать, что при концентрации 10~12 кюри Сэ137 на 1 г ткани мощность тканевой дозы равна 10 мбэр/год, или в рлучае выражения удельной концентрации Сэ137 в цезиевых единицах — 0,02 мбэр/год 10~12 кюри/г калия
ЛИТЕРАТУРА
Гусев Н. Г. О предельно допустимых уровнях ионизирующих излучений. М., 1961. — Радиационная защита. М., 1961. — Фатеева М. Н. и др. Мед. радиол., 1960, № 7, стр. 14. — Anderson Е. С. et al., Science, 1957, v. 125, p. 1273. — Anderson; R. W., Gustaf son P. F., Ibid., 1962, v. 137, p. 668. — В а а г 1 i I. et al., Nature, 1961, v. 191, p. 436. — С о h n S. H. et al., Radiat. Res., 1963, v. 19, p. 655,— Frost D. Praktischer Strahlenschutz. Berlin, 1960, S. 47. Цит. H. Seidler, M. Härtig, К. Siebert. Kernenergie, 1963, Bd. 6, S. 436. — Graul E. H. В кн.: Fortschritte der angewandten Radioisotopie und Grenzgebiete. Heidelberg, 1957, Bd. 1, S. 179. — Green R. M., McNeill К. G., Robinson G. A, Canad. J. Biochem., 1961, v. 39, p. 1021, —Hammond S. E. et al., Hlth Phys., 1963, v. 9, p. 523. — L a n d K. (1959) Цит. H. Seidler, M. Härtig, K. Siebert. Kernenergie, 1963, Bd. 6, S. 436. — L a n g -ham W. H„ Anderson E. C„ Hlth Phys., 1959, v. 2, p. 30. — L a n g h a m W. H., Anderson E. C„ Bull. Schweiz. Akad. med. Wiss., 1958, Bd. 14, S. 434. — L i d e n K., Acta radiol. (Stockh.), 1961, v. 56, p. 237. — L о e v i n g e r R. et al., Radiation Dosimetry. New York, 1958. — M a d s h u s K. et al., Nature, 1963, v. 200, p. 278.— McNeill К. G. et al., Canad. J. Phys., 1959, v. 37, p. 528. — M с N e i 11 K. G., Trojan O. A. D„ Hlth Phys., 1960, v. 4, p. 109.— McNeill К. G. et al. В кн.: Whole-body Counting. Vienna, 1962, p. 357. — Merkler H. В кн.: В. Rajewsky (hrsg.) Wissenschaftliche Grundlagen des Strahlenschutzes. Frankfurt, 1957, S. 316. — Miller С. E. Цит. S. E. Hammond et al. —Miller С. E., Stein graber C. J. Цит. S. E. Hammond et al. — Miettinen J. К et al., Ann. Acad. Sei. fenn. А 11 Chemica, 1963, N 120.— Monroe R. A., W a s s e r m a n R. H„ С о m а г С. L., Am. J. Physiol., 1961, v. 200, p. 535. — Onstead С. O. et al., Science, 1962, v. 137, p. 508. — P о w e. Van-D i 1 1 a . Цит. С. R. Richmond et al. (1962) . — Richmond C. R. Цит. S. E. Hammond et al. — R i с h m о n d C. R. et al., Hlth Phys., 1962, v. 8, p. 201. — Rosoff В., Feldstein A., Stand F. et al., Radiat. Res., 1961, v. 14, p. 495. — R u n d о J. В кн.: Whole-body Counting. Vienna, 1962, p. 362. — R u n d о J., Newton D., Nature, 1962, v. 195, p. 851. —Run do J. et al., Ibid., 1963, v. 200, p. 188.— Stewart C. G. et al.. Proceedings of the Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy. New York, 1958, v. 23, p. 123.— Taylor M. P. et al., Phys. Mied, and Bial., 1962, v. 7, p. 157. — W a s s e r m a n R. H., Com а г С. L„ Radiat. Res., 1961, v. 15, p 70.—Woodward К. T. et al. Цит. S. E. Hammond et al. — Yarn a g a t a N.. Nature, 1962, v. 196, p. 284. — Idem, Ibid., p. 83.
Поступила 4/IX 1964 r.
1 Доклад Научного комитета ООН, 1962.
