Введение. 
Радиоэкология и экологическая радиохимия

Космическое излучение, радионуклиды и испускаемая ими радиация существовали задолго до возникновения жизни на Земле. Существуют они и сейчас, оказывая влияние на биологические, химические и геологические процессы. В 20-ом веке к природным радионуклидам добавились техногенные, так что радиационное воздействие на биоту усилилось, хотя ему ещё далеко до уровней, существовавших в доисторические времена.

В ходе своей эволюции человек всегда находился в поле ионизирующего излучения. Тело его пронизывает космическое излучение (особенно интенсивное в горах и в полётах на самолёте), его облучает радиация, исходящая из почвы, грунта, горных пород и строительных материалов, он вдыхает радиоактивный радон, купается в морской воде, и, следовательно, интенсивно облучается у-излучением от изотопа -«°К, ест пищу, содержащую радиоактивные элементы. Тело человека содержит ис, ²²⁶Ra, 4°К, продукты распада радона и многочисленные техногенные радионуклиды. При медицинском осмотре пациента облучают рентгеновским излучением, а при радионуклидной диагностике и терапии в его организм вводят радиоактивные препараты, порой в опасных количествах.

Радиация оказывает влияние (положительное или отрицательное) не только на человека, но и на все компоненты растительного и животного мира. В какой-то степени она управляет протеканием биологических, химических и физических процессов в среде обитания Изучением влияния радиации на взаимодействие одного экологической системы с таким же видом и с окружающей средой занимается наука — радиоэкология, которая, как и сама экология относится к биологическим наукам. Состоянием и миграцией радионуклидов, в природных и техногенных средах, в отдельных компонентах экологической системы (в стволе дерева, в теле человека и т. п.) и во всей экосистеме, в популяции, в человечестве в целом занимается экологическая радиохимия, которая, как и радиохимия, относится к химии.

Начнём с определения некоторых понятий.

Экология — наука о взаимодействиях живых организмов и их сообществ между собой и со средой обитания.

Экология — биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, сообществ, экосистем и биосферы в целом. Значительное внимание уделяется состоянию организмов, населяющих общую территорию, их отношения друг к другу и к окружающей среде. Существуют такие разделы, как экология леса, водоёма, почвы, человека, социальная экология (взаимодействие человека, общества и окружающей среды) и др.

Начнём с определения некоторых важных понятий. Энвайронмемтология — наука об охране окружающей среды, включает комплекс мер по ограничению влияния человеческой деятельности на природу. По своим понятиям и методам близка к прикладной экологии, но не совпадет с ней.

Экология — синтетическая наука. Она затрагивает почти все сферы жизнедеятельности живых организмов (и их совокупностей) и человека.

Роль химии в экологии достаточно высока.

Химическая экология — биологическая наука, изучающая химические взаимодействия между видами в экосистеме; выявляет химические связи, организующих живые организмы в экосистемы. Объектами её исследования являются природные вещества, посредством которых осуществляется взаимодействие между организмами: сигнальные вещества, токсины и ингибиторы.

Экологическая химия — химическая наука, изучающая химические процессы, определяющие состояние и свойства среды обитания живых организмов — атмосферы, гидросферы и почв, на состояние которых оказывает воздействие деятельность человека, а также процессы превращения химических веществ в окружающей среде и долговроьюнные последствия, связанные с антропогенными изменениями её состава. Экохимия разрабатывает новые химические технологии, снижающие отрицательное воздействие токсинов на окружающую среду, технологии переработки отходов, очистки воздуха и воды. Экологические технологии предоставляют химические способы извлечения радионуклидов из почв, вод озёр, рек, водохранилищ и атмосферы.

Химия окружающей среды — раздел химии, изучающий химические превращения, происходящие в природных и техногенных средах, включенных в экосистемы. Состоит из таких разделов, как геохимия, химия почв, гидрохимия, химия апъчосферы, химия природных соединений и др. Изучает химические процессы во всех оболочках Земли, в том числе в биосфере. Значительное внимание уделяет миграции и превращению всех химических соединений, в том числе природных и антропогенных токсинов. В задачи входит определение источников поступления и миграции химических веществ в земных оболочках, механизмов их превращений, путей и интенсивности стоков из земных оболочек, характера взаимодействия соединений и элементов между собой. Включает экологическую химию и сведения о Земле как реакционном пространстве, её энергетическом балансе и эволюции, о структуре, свойствах и составе атмосферы, гидросферы и литосферы.

Физическая химия окружающей среды рассматривает кинетику и термодинамику химических реакций в природе, а также процессы реакционной диффузии, адсорбции и массопереноса в природных гетерогенных средах. Радиационная экология или радиоэкология — биологическая наука, изучающая процессы взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения. Исследует отношение экосистем, популяций, сообществ и организмов к воздействию ионизирующих излучений. Основное внимание уделяет описанию особенностей существования живых организмов и их сообществ в условиях наличия естественных и техногенных радионуклидов, при воздействии на биосистемы космического излучения и ионизирующего излучения от природных и техногенных радиоактивных изотопов.

Радиоэкология рассматривает радиацию, как важный экологический фактор, способный вызвать благоприятные и отрицательные изменения в биосистеме.

Радиоэкология — часть биоэкологии, задача которой — вскрытие путей попадания радионуклидов в живой организм и защита его от такого попадания. Она выясняет особенности взаимоотношения живых организмов с естественными и искусственными источниками радиации, являющимися факторами среды обитания, изучает роль популяций и биоценозов в круговороте радионуклидов, а также способы выживания и адаптации живых организмов в условиях облучения от радионуклидов. Существует два направления в радиоэкологии — изучение поведения радионуклидов в экосистемах и их компонентах (почве, растительном покрове, сообществах животных) и воздействия ионизирующего излучения на биоту и человека, кроме того эту науку подразделяют на радиоэкологию гидробиоценозов.

(водную радиоэкологию), и радиоэкологию наземных биогеоценозов. Разделами радиоэкологии наземных биогеоценозов являются лесная радиоэкология, сельскохозяйственная радиоэкология и радиоэкология животного мира. Значительное внимание уделяется процессам распространения радионуклидов в природных средах и пищевым цепочкам.

Замечание. Распространение и накопление радионуклидов в компонентах окружающей среды и в живых организмах становится предметом радиоэкологических исследований только в том случае, если эти радионуклиды и связанные с ними ионизирующие излучения, заметным образом влияют на функционировании организма или экоситемы. Если, как это часто бывает, радиоактивные вещества не выходят из мест своего пребывания (закрытые системы) или если биота равнодушна к излучению, то наличие радиоактивных изотопов в среде обитания никоим образом не интересует радиационную экологию. Радиационная экология занимается эффектами положительного или отрицательного влияния ионизирующей радиации на биоту. Важное направление радиационной экологии — направленное применение радиации для управления биологическими процессами (примерами являются стимуляция развития некоторых растений в результате облучения, радиационная стерилизация, т. е. уничтожение вредных микроорганизмов и др.).

Радиоэкология взаимодействует со многими науками. Так, ядерная геохимия выявляют законы формирования скоплений горных пород и минералов, ответственных за поступление радионуклидов в атмосферы, гидросферу и почву с последующим перемещением в живые организмы, ядерная физика и радиометрия позволяют регистрировать радиационные поля и пространственно-временные распределения источников излучения в природных и техногенных средах, рассчитывать дозовые нагрузки на биосистемы; экологическая радиохимия — исследовать состояние радионуклидов в водных растворах, коллоидах и аэрозолях, формы, в которых происходит миграция радионуклидов в среде, изменение этих форм либо при прохождении геохимических барьеров типа река-море или океан — атмосфера, либо при изменении температуры, кислотности, влажности и т. п. Сведения о концентрировании радионуклидов различными организмами и их отдельными органами, данные о последствиях (положительных или отрицательных) воздействия ионизирующего излучения даёт радиобиология. Последствия внедрения радионуклидов в тело человека рассматривает радиационная и ядерная медицина.

Радиационная биология или радиобиология — наука, изучающая действие всех видов излучений на биологические объекты. Она занимается изысканием различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозированием опасности для человечества повышения уровня радиации окружающей среды, изысканием новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.

Радиационная токсикология — раздел радиобиологии, изучающий пути поступления радиоактивных изотопов в организм, их распределение, кинетику обмена и биологическое действие.

Радиология медицинская — область медицины, изучающая применение ионизирующих излучений для распознавания и лечения болезней, влияние излучений на организм и проблемы противолучевой защиты.

Экологическая радиохимия — химическая наука, изучающая состояние и миграцию радиоактивных элементов, радиоактивных изотопов стабильных элементов и содержащих радиоактивные изотопы веществ в различных типах природных сред (гидросфера, почва, атмосфера), в компонентах биосистемы (растения, животные, рыбы, человек и др.), в конкретных экосистемах и биоты в целом. Существенное внимание уделяется методам качественного и количественного анализа радионуклидов, определению характера распределения радионуклидов по размерному спектру коллоидов или аэрозолей, анализу химических последствий процессов радиоактивного распада и накопления, радиационным эффектам ионизирующего излучения и атомов отдачи.

Радиационная гигиена — отрасль гигиены, изучающая источники, уровни и последствия воздействия ионизирующих излучений на человека с целью разработки и обоснования нормативов, мер профилактики и защиты от повреждающего воздействия этих излучений.

Радиационная ;медицина — раздел медицины, посвященный изучению влияния ионизирующего излучения на организм человека, проблемам диагностики, лечения и профилактики заболеваний, которые вызваны действием ионизирующего излучения, разработке и применению ионизирующих излучений в диагностике, терапии и хирургии.

Ядерная медицина — раздел медицинской радиологии, использующий радионуклиды и ионизирующие излучения для исследования функционального и морфологического состояния организма, а также для лечения заболеваний человека.

Радиационная ветеринария — область ветеринарии, основное направление которой — установление предельно допустимых уровней содержания и поступления радионуклидов веществ в организм животного с воздухом, водой, расчёт радиационных доз, полученных конкретным органом и всем животным, оценка последствий радиационных воздействий, направленное использование ионизирующих излучений и радионуклидов для диагностики и терапии.

Экологическая радиохимия изучает процессы накопления и вывода радиохимических веществ в неорганических и органических компонентах биосистемы, а также химические процессы, происходящие с молекулами, содержащими радионуклиды в пищевых цепочках (например, почварастительность-травоядные животные-молоко-человек-почва… или донные осадки-микробы-планктон-рыба-человек-…). Как это принято в химии, определяются зарядовые состояния (валентности) радионуклидов, их состояние (молекулярнодисперсное или коллоидное, термодинамические и кинетические параметры всех химических реакций (окислительновосстановительных, каталитических, ферментативных, ионного обмена, гидролиза и т. п. с учётом изотопных эффектов), зависимость этих параметров от pH и ионной силы среды, от температуры и радиационных воздействий, от размерных спектров частиц коллоидов и аэрозолей, величины и знака заряда коллоида, от степени гидратации молекулы и характера комплексообразования и т. п., но не в колбе или в пробирке, а в конкретных компонентах природной или техногенной среды. Физико-химические аспекты химической экологии обеспечивают адекватное описание кинетики миграции, диффузии, массопереноса и транспорта радионуклидов и радиоактивных веществ в компонентах окружающей среды.

Несмотря на то, что радиоэкология, радиобиология и экологическая радиохимия — разные науки, идеи их сильно переплетены, поэтому в данной книге они рассматриваются совместно.

Радиационная экология (радиоэкология) — междисплинарное научное направление, изучающее влияние радионуклидов, находящихся в окружающей среде, и испускаемых ими ионизирующих излучений на живую природу. Этот — раздел экологии занимается определением механизмов миграции радиоактивных веществ по разнообразным экосистемам (в атмосфере, почве, воде, воздухе) и по пищевым цепям. В задачи радиоэкологии входит радиационный мониторинг среды обитания, расчет доз, получаемых компонентами живой природы и оценка возможных последствий таких воздействий, проведение экспериментов как в лабораториях, так и в естественных экосистемах, создание математических моделей массопереноса и накопления радиоактивных веществ в экосистеме и т. п.

Цели образования бакалавра по курсу «Радиоэкология и экологическая радиохимия» :

• — освоение принципов и методов современной радиоэкологии и экологической радиохимии; способов охраны окружающей среды и основных направлений в решении проблем радиационной, ядерной, экологической и промышленной безопасности;
• — выработка навыков оценки и управления интегральным экологическим радиационным риском.

Задачи дисциплины:

• — сформировать прочные знания по ядерно-физическим, физическим, химическим и токсическим свойствам экологически опасных радиоактивных изотопов;
• — научить методам качественного и количественного анализа радионуклидов, способам измерения ионизирующих излучений и методам ядерной спектроскопии, способам определения валентных состояний радионуклидов в природных объектах, анализу радиоактивных веществ, входящих в состав коллоидов, взвесей и аэрозолей;
• — ознакомить с методами изучения и моделирования транспортных процессов в природных и техногенных средах.

В результате изучения дисциплины и выполнения необходимого объёма самостоятельной работы студент должен обладать следующими компетенциями: знать

• — основы влияния ионизирующих излучений на биологические объекты, характеристики источников природных и техногенных радионуклидов и географические особенности распределения естественного фона, основные технологии ядерной индустрии и возможные их потенциальные опасности для среды обитания, математический аппарат и закономерности миграции радиоактивных веществ в природных и техногенных средах;
• — закономерности транспорта радионуклидов по пищевым цепочкам в целях снижения их поступления в организм человека;

уметь

• — критически оценивать преимущества и недостатки современных и перспективных методов анализа и управления радиационным, ядерным и радиоэкологическим риском, быть способным обеспечить радиационную безопасность сотрудников предприятий ядерного топливного цикла, населения, сельскохозяйственных и диких растений и животных;
• — направленно использовать радионуклиды и радиацию для управления экологическими процессами;

владеть

• — навыками обращения с радиоактивными веществами, при соблюдении правил техники безопасности работы в химической лаборатории и в полевых условиях с учётом гигиенических нормативов;
• — методами расчёта дозы от различных видов ионизирующих излучений, полученными отдельными организмами и целыми сообществами;
• — способами отбора проб горных пород, почвы, воды, воздуха, растительных и животных объектов, и проведения их химического качественного и количественного анализа;
• — методами измерения радиационных полей, радиоактивности образцов, проведения ядерной спектроскопии и масс-спектрометрии объектов исследования;
• — способами ликвидации последствий инцидентов в ЯТЦ и методами уменьшения вредных последствий действия радиации на биологические объекты.

В соответствии с поставленной целью предлагаемый учебник состоит из 12 глав. Первая часть посвящена физическим и химическим аспектам радиоэкологии, включая определение дозовых понятий, биологическое действие ионизирующих излучений на человека и природные биосистемы. Во второй главе даны дан критический анализ современных представлений о природе радиоэкологического риска и способа управления им. В третьей главе представлены юридические усилия по охране окружающей среды, предпринятые в России и на международном уровне. В четвертой главе рассмотрены ядерно-физические, физические, химические и токсические свойства основных экологически значимых радиоактивных природных элементов, в пятой главе — проблема радона, а в шестой главе — свойства техногенных радиоактивных изотопов. Седьмая глава посвящена мониторингу радионуклидов в природных и техногенных средах. Загрязнение радионуклидами, попадающих в экосистему благодаря деятельности человека, обсуждено в главе восемь, а накопление радионуклидов различными представителями биоты — в главе девять. Глава десять целиком посвящена рискам, исходящих от предприятий атомной промышленности. В главе одиннадцать даны примеры загрязнения радионуклидами различных регионов России. Теория миграции, диффузии и массопереноса радиоактивных веществ в природных и техногенных средах изложена в главе двенадцать.