Поступление радионуклидов из кормов в мясо крупного рогатого скота

Испытательные взрывы ядерного оружия в атмосфере в период с 1954 по 1980 годы, аварии на предприятиях ядерной энергетики и атомной промышленности стали причиной загрязнения биосферы земли техногенными источниками ядерных излучений — продуктами деления, синтеза и нейтронной активации. Авария на ЧАЭС 26 апреля 1986 года по сложности, масштабам и последствиям для биоты и человека стала самой значительной среди имевших место такого рода событий. Аварийный выброс радионуклидов в атмосферу привел к широкомасштабному загрязнению территорий Республики Беларусь и сопредельных государств, включению их в биологические циклы миграции. Концентрация радионуклидов в объектах окружающей среды с этого момента стала значительно превышать доаварийные уровни. Техногенные радионуклиды после выпадения из атмосферы обнаруживаются не только в почве и воде, но и в растениях, организме животных и человека, создавая тем самым их дополнительное облучение. 11]

При оценке источников и путей поступления радионуклидов в организм было установлено, что сельскохозяйственные животные являются одним из звеньев пищевых цепей загрязнения рациона человека, поскольку продукты животноводства являются его важнейшими ингредиентами. В условиях их производства на загрязненных территориях, они становятся основным источником поступления радионуклидов в организм человека. Это способствует формированию дозы внутреннего облучения населения, уровень которой часто бывает выше нормативной среднегодовой допустимой дозы облучения. После распада короткои среднеживущих радионуклидов в настоящее время радиационное воздействие на население Республики Беларусь более чем на 90% обусловлено цезием-137. Это связано с высокой активностью выпадений этого изотопа и его периодом полураспада. В суммарной дозе облучения населения после аварии на ЧАЭС доля радиостронция составляет 1−4%, трансурановых элементов — 0,1- 1,0%. Снижение индивидуальных доз облучения населения до регламентируемых пределов осуществляется путем проведения комплекса мер по блокированию миграции радионуклидов в различных звеньях биологической цепи «почва — растение — животное», путем перепрофилирования деятельности хозяйств, технологической переработки продукции животноводства, загрязненной радионуклидами.

Возникновение указанных проблем вызвало к жизни развитие нового направления в области животноводства — радиоэкологии сельскохозяйственных животных. Данное направление по своему содержанию, значению и генетической связи представляет ветвь научной дисциплины — экологии. Интерес к проведению работ в этой области обусловлен тем, что продукты животноводства являются важнейшими источниками снабжения населения продовольствием, сырьем легкой и пищевой промышленности и, одновременно, поставщиком радионуклидов в рацион человека. 1,2,7]

Целью курсовой работы является изучение поступления Сs-137 из кормов в мясо крупного рогатого скота.

Задачи курсовой работы:

· Изучить влияние биологических особенностей растений и почвенных характеристик на накопление Cs-137 в кормовой растительности;

· Определить факторы, влияющие на переход Cs-137 из корма в мясо;

· Определить взаимосвязь концентрации нуклидов в рационе КРС с концентрацией радионуклидов в костной и мышечной тканях;

· Сравнить коэффициенты перехода Cs-137 из почвы в рацион и мышцы КРС в зависимости от возраста;

· Сравнить концентрации радиоцезия в рационе КРС в зонах радиоактивного загрязнения.

радионуклид корм мясо скот

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Зависимость накопления радионуклидов в кормовой растительности от почвенных характеристик и биологических особенностей растений Величина накопления радионуклидов растениями зависит от следующих основных показателей: 1) свойств радионуклидов и форм нахождения их в почве; 2) физико-химических параметров почвы; 3) биологических особенностей растений; 4) агротехники возделывания; 5) погодно-климатических условий.

В отдаленный период после аварии даже при высоких уровнях загрязнения почв растениеводческая продукция большинства агроценозов соответствует установленным для них нормативам. Однако некоторые из них, прежде всего естественные луга и пастбища, поставляющие корма для производства молока и мяса, и в настоящее время вносят значительный вклад в формирование дозовых нагрузок на население загрязненных территорий. Доля кормов, заготавливаемых на этих угодьях, может составлять до 60% в общем кормовом балансе хозяйств. Звено почва — растение является основным и определяющим поступление радионуклидов с продуктами питания человеку. Регулирование уровня перехода радионуклидов в кормовые растения из почв на лугах и пастбищах остается одной из наиболее актуальных задач организации кормопроизводства в условиях радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий, позволяющей снизить дозовые нагрузки на население. 3]

Поведение радионуклидов в почве после выпадения на ее поверхность, их миграция и вовлечение в биологический круговорот определяется видом агроценоза. При выпадении на естественные сенокосы и пастбища радионуклиды прочно удерживаются поверхностной дерниной. На протяжении многих лет основная масса радионуклидов, попавших в почву лугов и пастбищ, находится на глубине 3−5 см. Удельная активность этого слоя дернины в 4−5 раз выше активности пахотного горизонта при одинаковой плотности загрязнения почв. Исследованиями (В.Ю. Агеец) установлено, что доля цезия-137, выпавшего на поверхность аллювиальной дерново-глееватой почвы пойменного луга через 15 лет после аварии на ЧАЭС на глубине 0−5 см составляла 91,7%, в дерново-подзолистой глееватой почве суходольного луга — 87%, в торфяно-болотной глееватой почве заболоченного луга — 73,9%. Миграция цезия-137 по профилю почвы на пойменных лугах была минимальной. Из слоя 0−5 см этого типа почвы в нижележащие слои мигрировало за период исследований с 1992 по 2001 годы 4,9% этого изотопа. На почвах заболоченного луга миграция цезия-137 из верхнего слоя в нижележащие слои была максимальной и составляла 12,4%. Более интенсивная миграция по профилю приведенных выше типов почв была у стронция-90 в сравнении с миграцией цезия-137. Из верхнего слоя почвы на суходольном лугу в слои 5−10 и 10−15 см к 2001 году мигрировало радиостронция соответственно 34,8 и 11,9%, на заболоченном — 28,7 и 11,5%, на пойменном — 16,2 и 3,1%, что было выше миграции радиоцезия в 2−5 раза. Авторы публикуемых материалов объясняют различия в миграции этих типов радионуклидов более высоким содержанием водорастворимой и обменной форм стронция-90 в изучаемых луговых почвах в сравнении с цезием-137. 8,10]

Уменьшение содержания радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы определяется выносом их за пределы корнеобитаемого слоя и их естественным распадом. Эффективный период полуочищения корнеобитаемого слоя (Тэф — время, в течение которого первоначальная концентрация радионуклидов в корнеобитаемом слое почв уменьшится в 2 раза) для лугов колеблется в пределах от 5 до 20 лет. Тэф суходольных лугов дерново-подзолистого типа почв для цезия-137 в зависимости от механического состава колеблется в пределах от 11 до 29 лет и увеличивается в ряду песчаные>супесчаные>суглинистые. Для лугов торфяно-болотного типа почв этот показатель варьирует от 13 до 18 лет. Тэф для стронция-90 колеблется в пределах от 5 до 15 лет, что меньше эффективного периода полуочищения цезия-137 в 2−2,5 раза. Период полуочищения корнеобитаемого слоя почв является одним из главных параметров для прогноза радиоэкологической обстановки на загрязненных территориях. Аккумуляция радионуклидов в зоне активного корнеобитания в легкодоступной форме создает благоприятные условия для корневого поступления этих радионуклидов в луговые травы.

Проведенные исследования показали, что при одинаковой плотности загрязнения почв (Ки/км2, кБк/м2) сельскохозяйственных угодий радионуклидами накопление их луговыми растениями в несколько раз превышает накопление радионуклидов в тех же растениях на пашне. Это обусловлено высокой доступностью для луговых растений радионуклидов, аккумулированных в дернине. Поведение радионуклидов, выпавших на пашню, имеет ряд специфических особенностей. Равномерное распределение радионуклидов в пахотном горизонте почвы обеспечивает их активное взаимодействие с почвенными частицами. Обширные экспериментальные, методические и теоретические исследования В. М. Клечковского с сотрудниками выявили особенности взаимодействия минеральных и органических веществ почвы с микроколичествами радиоактивных продуктов деления. Ими установлено, что ведущую роль в поглощении почвами цезия-137 и стронция-90 играют процессы обменно-ионной адсорбции и одновременно протекающие процессы десорбции. Выявлено, что прочность связывания в почве микроколичеств радиоцезия и радиостронция, их вовлечение в миграцию в звене почва — растение в определенной мере зависит от концентрации в почвах их химических аналогов — калия и кальция. Это обстоятельство позволяет при определенных условиях увеличивать прочность закрепления сорбированных радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом и уменьшать их биологическую доступность для растений и тем самым степень их загрязнения. Доступность радионуклидов для растений зависит от форм их нахождения в почве. Ученые большинства стран выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочнофиксированную формы радионуклидов. Соотношение этих форм варьирует в широких пределах и зависит от типа почв и ее агрохимических характеристик. В районах с высоким уровнем радиоактивного загрязнения с преобладанием почв дерново-подзолистого песчаного и супесчаного типа количество доступных форм цезия-137 находится в пределах 14,5−23,3%, что обуславливает высокие коэффициенты перехода радионуклида в растения. Результаты исследований свидетельствуют о том, что спустя 12 лет после аварии в слое почвы 0−10 см 68−92% валового содержания цезия-137 находится в недоступной для луговых растений прочнофиксированной форме, а 28−70% стронция-90 в легкодоступной обменной форме. Для всех луговых почв характерно низкое содержание радионуклидов в водорастворимой форме (0,1−6,0% - цезия-137 и 0,3−13,7% - стронция-90). Максимальное количество этой формы радиоцезия и радиостронция отмечается в торфяно-болотных почвах лугов. Для большинства луговых почв прослеживается тенденция к снижению доли водорастворимой и обменной форм и увеличению кислоторастворимых форм. В дерново-подзолистой глееватой почве суходольного луга за период наблюдений с 1992 по 1998 годы содержание обменных форм цезия-137 и стронция-90 уменьшилось в среднем соответственно на 12 и 30%, а кислоторастворимых и прочнофиксированных форм этих типов радионуклидов увеличилось соответственно на 7 и 5%, 27 и 3%.

Таким образом, способность почв лугов и пастбищ сорбировать радионуклиды способствовала образованию малоподвижного депо, которое многие десятилетия будет «подпитывать» радиоактивными веществами корневую систему растений. При этом в публикуемых материалах сообщается о способах увеличения прочности закрепления сорбированных радионуклидов в почве. 11,22,24]

Установлено, что поступление радионуклидов в растения зависит от типа почвы. Результаты исследований Е. В. Юдинцевой и И. В. Гулякина, свидетельствуют о том, что показатели накопления стронция-90 в зерне пшеницы и цезия-137 в зерне озимой ржи, выращенных на дерново-подзолистой супесчаной и среднесуглинистой типах почвы, черноземах и сероземах, отличаются более чем в 100 раз. В этой же последовательности уменьшается способность к накоплению радионуклидов растениями на этих типах почв. Коэффициенты перехода цезия-137 в многолетние злаковые травы на почвах торфяно-болотного типа в зависимости от обеспеченности обменным калием составляют от 3,77 до 7,99 Бк/кг:кБк/м2. Для этого вида трав этот показатель на почвах дерново-подзолистого супесчаного типа составляет от 0,11 до 0,44 или в среднем меньше в 21,4 раза в сравнении с коэффициентом перехода цезия-137 в многолетние злаковые травы на торфяно-болотных почвах. 6]

Результаты исследований показали, что накопление радионуклидов кормовыми культурами зависит от их биологических особенностей. Различия в строении корневой системы и характере метаболизма определяют их видовые и сортовые особенности в накоплении радионуклидов. В полевых опытах Н. А. Корнеевым (1973) было установлено, что при равномерном загрязнении стронцием-90 слоя почвы пашни глубиной 25 см максимальные коэффициенты перехода этого изотопа в расчете на воздушно-сухое вещество (Бк/кг:кБ/м2) наблюдались у бобовых культур (клевер красный-13,8, люцерна-12,0, вика озимая-8,5), минимальные в клубнях и корнеплодах (картофель-0,3, свекла кормовая-1,9). Промежуточное положение по уровню перехода радиостронция из почвы в растения занимали кукуруза, тимофеевка луговая, зеленая масса подсолнечника и ежа сборная (5,7, 3,6 3,5,1,8 соответственно). По данным И. Т. Моисеева и других авторов (1974), видовые различия между злаковыми зерновыми и зернобобовыми культурами по накоплению цезия-137 достигают 14- кратной величины, а сортовые — не превышают 1,5−2 раза. В рекомендациях по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь отмечается, что накопление цезия-137 в зеленой массе естественных сенокосов, расположенных на дерново-подзолистых суглинистых почвах, составляет 0,36 Бк/кг:кБк/м2 при обеспеченности обменным калием 81−140 мг/кг почвы. В аналогичных условиях накопление цезия-137 в зеленой массе горохо-овсяных смесей составляет 0,06 Бк/кг:кБк/м2, что в 6 раз меньше в сравнении с накоплением этого изотопа в зеленой массе естественных сенокосов.

В полевых и лабораторных опытах накоплен обширный экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что важным фактором, влияющим на переход стронция-90 и цезия-137, является содержание в почве обменных катионов кальция и калия. По данным Б. Н. Аненкова и В. С. Аверина накопление стронция-90 в зерне пшеницы и цезия-137 в сене из клевера красного тесно взаимосвязано с содержанием в почве обменных катионов кальция и калия. Увеличение в почве концентрации обменного кальция с 2 до 5 г/кг при оптимальной кислотности примерно в 4 раза снижало поступление стронция-90 в зерно пшеницы. При увеличении обменного калия с 20 до 100−120 мг на 100 г почвы накопление цезия-137 в сене клевера красного снижалось с 5,5 до 2 Бк/кг:кБ/м2 или в 2,8 раза. При дальнейшем увеличении концентрации катионов кальция и калия в почве темпы снижения радионуклидов стронция-90 в зерне пшеницы и цезия-137 в сене клевера красного заметно замедляются. Установлено, что минимальное загрязнение сена из многолетних злаковых трав цезием-137 наблюдается при содержании в дерново-подзолистой супесчаной почве 200−300 мг/кг обменного калия (0,5 Бк/кг:кБк/м2). Снижение концентрации обменного калия до уровня менее 80 мг/кг почвы этого типа способствует повышению содержания цезия-137 в этом корме в 4 раза. 12,24]

Кроме приведенных выше факторов, в многочисленных публикациях приводятся сведения о влиянии на переход радионуклидов из почвы в растения агрохимических свойств почвы (рН, гумуса, илистых фракций), влажности, погодных условий, сортовых особенностей, распределения радионуклидов по профилю почвенного горизонта. Проведенные исследования по блокированию миграции радионуклидов в звене почва-кормовые культуры путем перераспределения радионуклидов по профилю почв показали их высокую эффективность. При перемещении продуктов ядерного деления на глубину 70 см их содержание в овсе, горохе, вике, свекле уменьшилось более чем в 100 раз в сравнении с их заделкой на глубину 30 см (И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева). Вспашка плантажными плугами целинного луга с черноземной почвой и перемещение стронция-90 из верхнего 0−5 см слоя на глубину 25 и 60 см снижало поступление этого изотопа в многолетние злаковые травы соответственно в 3,7 и 4,0 раза. Однако, по мнению ряда ученых, без внесения минеральных и органических удобрений для компенсации плодородия запаханного слоя почвы на подзолистых типах почв такой прием может привести к разрушению структуры почвы и снижению ее плодородия.

Важным направлением по блокированию миграции радионуклидов в звене почва — кормовые растения являются исследования по использованию агрохимических мероприятий, повышающих плодородие почв и способствующих повышению урожайности кормовых культур и снижению их загрязнения. Результаты экспериментов показывают, что максимальный эффект по снижению поступления радионуклидов в кормовые культуры на загрязненных территориях достигается при проведении комплекса мероприятий, включающих известкование кислых почв, внесение минеральных и органических удобрений в соответствии с потребностями растений, но с преобладанием калия и фосфора над азотом. При загрязнении кормовой базы животноводства в зонах интенсивных выпадений продуктов деления обнаруживаются высокие концентрации цезия-137 и стронция-90 в пищевых продуктах животноводства — молоке и мясе. В структуре кормового баланса сельскохозяйственных предприятий значительную долю занимают корма, поставляемые с естественных кормовых угодий. Радиологическое обследование травостоя естественных лугов и пастбищ показало их высокую способность аккумулировать радионуклиды из почв этого вида агроценоза. Так коэффициенты перехода цезия-137 в травостой естественных лугов из торфяно-болотного типа почв в зависимости от их обеспеченности обменным калием в расчете на сухое вещество колеблются от 12,6 до 33,1, для стронция-90 — от 17 до 24 кБк/кг:кБ/м2. Для лугов, расположенных на дерново-подзолистой суглинистой и супесчаных почвах, коэффициенты перехода цезия-137 в растения этого кормового угодья составляли соответственно 3,1−4,6 и 2,4—3,6, для стронция-90 — 12,0−19,7 и 15,2−25,0.

Результаты экспериментов показали зависимость уровня перехода радионуклидов в кормовые культуры из почвы от ее кислотности. Так на более кислых почвах (рН 4,5−5,5) поглощение радионуклидов растениями возрастало в 10 раз в сравнении с поглощением на почвах, близких к нейтральным (рН 6,6−7,5). Имеются данные, в которых сообщается, что минимальное накопление стронция-90 в кукурузном силосе наблюдается при выращивании этой культуры на почвах дерново-подзолистого песчаного типа с уровнем кислотности более 7 (0,97 Бк/кг:кБк/м2). Рост кислотности почвы этого типа до 4,5−5 способствует повышению накопления цезия-137 в кукурузном силосе в 3,7 раза в сравнении с накоплением этого изотопа в этом корме при рН почвы более 7. 12]

Показатели накопления радионуклидов кормовыми культурами, заготовленными на пашне, и в лугопастбищной растительности при равных условиях выращивания и одинаковой плотности загрязнения почв приведены в табл. 1.1.1

Приведенные данные свидетельствуют о том, что концентрация цезия-137 и стронция-90 в кормах с пашни (горохои вика-овсяные смеси, зеленая масса кукурузы) в среднем в 2 и 3,6 раза ниже, чем в лугопастбищной растительности (многолетние злаковые травы). Как видно из табл. 1 при одинаковых условиях выращивания накопление стронция-90 в кормовых культурах намного выше, чем цезия-137. Однако данные радиологического обследования показывают, что соотношение радиостронция и радиоцезия в загрязненных этими нуклидами почвах находится в пределах 0,01−0,06. По этой причине радиоактивность кормов обусловлена в основном накоплением в растениях цезия-137. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что для других типов почв с иными агрохимическими показателями коэффициенты перехода радионуклидов в эти же культуры зеленого конвейера будут отличаться от приведенных в табл.1.1.1 значений. 8,14]

Таблица 1.1.1 — Коэффициенты перехода радионуклидов в культуры зеленого конвейера (кБк/кг сухого вещества: кБк/м2) *

*Дерново-подзолистый тип почвы с содержанием обменного калия 141−200 мг/кг и рН 5,6

В публикуемых материалах результатов научных исследований сообщается, что эффективность защитных мероприятий по снижению миграции радионуклидов в звене почва — кормовые растения значительно возрастает при коренном улучшении кормовых угодий путем проведения комплекса контрмер, которые включают агротехнические, агрохимические и агрономические мероприятия — обработку почвы и дернины, внесение органических и минеральных удобрений, создание нового травостоя подбором видов и сортов кормовых растений и высева семян многолетних трав. Имеются данные, которые свидетельствуют о том, что создание нового травостоя в соответствии с отмеченными выше мероприятиями способствовало снижению содержания цезия-137 в сравнении с исходным накоплением до коренного улучшения в 23 раза.

В опытах установлено, что предотвращенная индивидуальная доза от молока на 1 кБк/м2 составляет 2 мкЗв/год на минеральных почвах и 6 мкЗв/год на торфяно-болотных почвах в последующие 4 года после их коренного улучшения. Это свидетельствует о том, что при одинаковых плотностях загрязнения проведение контрмер на торфяниках оказывается более эффективным, чем на минеральных почвах. Стоимость коренного улучшения 1га пастбищ составляет примерно 240 условных единиц. Эффективность мероприятий считается оправданной, если в результате их проведения стоимость снижения коллективной дозы облучения на 1 человеко-зиверт будет составлять менее 20 тысяч евро. 11]

В публикуемых материалах имеются сведения о том, что накопление радионуклидов в вегетативной и генеративной частях растений кормовых культур существенно отличается. Результаты экспериментов показали, что коэффициенты перехода радиоцезия для зеленой массы озимой ржи и зерна этой культуры в расчете на сухое вещество при равных условиях соответственно составляют 0,33 и 4,52 кБк/кг:кБк/м2. Приведенные данные свидетельствуют о том, что показатели накопления цезия-137 в разных частях одной и той же культуры отличаются более чем в 13 раз. Это обстоятельство имеет важное практическое значение при организации кормовой базы в животноводстве. Для среднестатистического хозяйства Хойникского района Гомельской области расчеты поступления радионуклидов с кормами из разных видов угодий показывают, что из общего количества радионуклидов в продукции (стронция-90 — 2493 МБк, цезия-137−2824 МБк) на долю лугопастбищных кормов приходится соответственно 40% радиостронция и 62% радиоцезия. В продукции растениеводства, произведенной на пашне, содержится 60% радиостронция и 38% радиоцезия. При этом суммарная энергетическая питательность кормов, произведенных на пашне, была выше суммарной питательности лугопастбищных кормов в 5,5 раза.

Таким образом, вследствие биологических особенностей различных видов кормовых растений, неравномерного распределения радионуклидов в репродуктивной и вегетативной частях растений кормовых культур разного вида при одинаковых условиях выращивания концентрация радионуклидов в них существенно отличается. Это позволяет как на этапе кормопроизводства, так и при составлении рационов для сельскохозяйственных животных эффективно использовать кормовую базу различного хозяйственного назначения. 10]

1.2 Характеристика различных режимов питания и содержания сельскохозяйственных животных В аварийных ситуациях, связанных с поступлением радиоактивных веществ в природные среды, сельскохозяйственные животные могут получить значительные дозы внешнего и внутреннего облучения.

Первоочередным мероприятием, направленным на сохранение поголовья сельскохозяйственных животных, их продуктивности, воспроизводительных способностей и получение по возможности минимально загрязненной продукции, должен быть быстрый перевод (в пастбищный период) с пастбищного на стойлово-выгульное содержание. При этом целесообразно использовать животноводческие постройки, расположенные на участках с наименьшим радиоактивным загрязнением территории.

При стойловом содержании животных следует перевести на снабжение кормами из существующих запасов, необходимо также организовать подвоз кормов с менее загрязненных территорий. Решающее значение в этот период имеет немедленное исключение из рациона кормовых продуктов, загрязненных выше допустимого уровня. Если запас кормов в хозяйстве ограничен, то нормы кормления можно уменьшить, чтобы обеспечить содержание животных в течение критического периода без употребления загрязненных кормов.

Основой питания и содержания животных на загрязненных угодьях является специально разработанная система мероприятий, направленная на снижение поступления радионуклидов в корма, рационы животных и продукты животноводства. 22,23,24]

Корма растительного происхождения, используемые для кормления сельскохозяйственных животных, по своему химическому составу и питательной ценности весьма разнообразны. В силу биологических особенностей различных сельскохозяйственных культур они при одинаковых условиях выращивания накапливают в расчете на единицу массы далеко не одинаковое количество радионуклидов.

В качестве примера можно привести данные о накоплении стронция-90 в кормовых растениях, выращенных на пашне с равномерным размещением радионуклида на глубину 25 см (1,5 мКи/м2). Как следует из опытов, содержание стронция-90 в расчете на 1 кг массы сухого вещества растений (мкКи/кг) было различным: в овсе и картофеле (клубнях) — 0,4; в свекле кормовой — 2,8; в еже сборной — 4,2; в брюкве (кормовой) -5,1; в тимофеевке луговой — 5,4; в клевере красном — 20,7; в клевере белом — 43,9; в капусте кормовой — 32,2. Различия в накоплении радиостронция между отдельными кормовыми культурами достигали ~110 раз. 14,24]

Для сравнительной оценки накопления радионуклидов в кормах было предложено использовать в качестве зоотехнического критерия концентрацию нуклидов в расчете на единицу питательности корма. В таблице 3.1 представлены расчетные данные о концентрации Sr-90 и Cs-137 в различных кормах как на 1 кормовую единицу, так и на 1 МДж обменной энергии (оба зоотехнических показателя используются в практической работе). Можно видеть, что минимальные концентрации радионуклидов отмечаются в зернофуражных культурах и картофеле, максимальные — в травах естественных лугов и пастбищ, а также в бобовых культурах и многолетних злаково-бобовых смесях.

Данные, приведенные в таблице 1.2.1, могут быть использованы в различных целях. Например, для экспресс-оценок возможных уровней содержания радионуклидов в различных рационах с различными соотношениями (по питательности) кормовых средств. 22,24]

Таблица 1.2.1 — Содержание радионуклидов в кормах, выращенных на дерновоподзолистой супесчаной почве с плотностью загрязнения 1 кБк/м2 *

* При содержании обменного калия 81−140 мг/кг почвы, уровень кислотности — pH 5,1−5,5(148).

** Обменная энергия корма для крупного рогатого скота.

Уровни радиоактивного загрязнения продуктов животноводства в хозяйствах, расположенных на территории, загрязненной долгоживущими радионуклидами, также тесно связаны с составом рационов и способом содержания животных. Различия в накоплении стронция-90 и цезия- 137 в тканях животных одного и того же вида при обычных способах содержания и типах кормления несущественны. Однако в зависимости от типа фитоценоза, состава и режима использования кормовых угодий содержание радионуклидов в рационе животных, молоке и мясе колеблется в широких пределах (табл.1.2.2).

Таблица 1.2.2 — Влияние рациона на поступление стронция-90 и цезия-137 в организм крупного рогатого скота, молоко и мясо, %

За 100% принято содержание радионуклидов в сенном рационе, мясе (мышцах, молоке). Все виды рационов составлены из кормов, полученных на территории с одинаковой плотностью радиоактивного загрязнения.

Наиболее высокая концентрация стронция-90 отмечена в скелете новорожденных ягнят от овец, кормившихся на протяжении беременности сенным рационом. У ягнят, родившихся от овец, получавших смешанный и концентратный рационы, отложение стронция-90 в костной ткани в 4.2 и 4.5 раза меньше.

Экстенсивный тип кормления животных и пастбищное их содержание могут значительно увеличить концентрацию радионуклидов в продуктах животноводства (табл.1.2.3).

Перевод животных на стойловое содержание или ограничение времени выпаса на искусственных выпасах и включение в рацион в большом количестве концентратов и снижение грубых кормов могут в несколько раз снизить накопление стронция-90 и цезия-137 в мясе и переход их из рациона в молоко.

Таблица 1.2.3 — Концентрация стронция-90 и цезия-137 в продуктах животноводства в зависимости от состава рационов животных при плотности загрязнения территории 1Ки/км2 по каждому радионуклиду (расчетные данные)

В летний период замена пастбищного содержания крупного рогатого скота стойлововыгульным уменьшает переход стронция-90, йода-131 и цезия-137 в рацион и далее в молоко и мясо соответственно в 10, 10 и 8 раз.

По нашим данным, полученным в хозяйствах Брянской и Гомельской областей после аварии на ЧАЭС с одинаковой плотностью загрязнения кормовых угодий цезием-137 (30−33 Ки/км2), при стойлово-выгульном содержании коров было получено «чистое» молоко, при пастбищном — молоко, превышающее временно допустимый уровень (370 Бк/л).

Сравнительный анализ загрязнения стронцием-90 продуктов животноводства в зависимости от типа рациона животных свидетельствует о существенных различиях этого показателя, который тесно связан с видом животного и производимым продуктом (табл.1.2.4).

Таблица 1.2.4 — Относительное загрязнение продуктов животноводства стронцием-90 в зависимости от типа рациона животных (за единицу принят наиболее чистый продукт — свинина)

При сопоставлении различных продуктов животноводства, полученных от разных животных, наиболее экологически «чистым» продуктом, полученным на загрязненных территориях, является свинина. При этом наиболее благоприятным рационом кормления животных является концентратно-картофельный. Использование в кормлении свиней зерново-корнеплодного рациона увеличивает загрязнение свинины в 3.4 раза. Производство говядины желательно осуществлять путем кормления мясопродуктивного крупного рогатого скота силосно-концентратным рационом и по возможности исключать применение сенного типа питания. Последний рацион по сравнению с первым увеличивает относительное загрязнение мяса в 17.2 раза. Силосно-концентратный тип рациона также представляется наиболее рациональным для кормления лактирующих коров. В этом случае загрязнение молока будет снижено в 26.9 раза по сравнению с кормлением животных сенным рационом из сеяных трав. Если лактирующих коров кормить сенным рационом из естественных трав, то это различие, по сравнению с силосно-концентратным рационом, достигает 224 раз. 14,22,24]

В зависимости от технологии содержания животных на пастбище может существенно (до 2 и более раз) изменяться нагрузка их на единицу площади (количество животных на 100 кв. м пастбища).

В зимних условиях рекомендуется кормить животных силосноконцентратным рационом и исключить или до минимума сократить использование сенного рациона из естественных трав.

Применение рационов с целью снижения поступления радионуклидов в организм животных и получаемые от них продукты может иметь негативные последствия, так как при этом исключается несбалансированность рациона по ряду его компонентов (белки, углеводы, жиры, минеральные вещества и др.). Это может привести к белковому, углеводному и другим видам голодания (или перекорма) животных. Чтобы выйти из этого положения, нужно применять различные добавки, нормализующие обмен веществ в организме: белково-витаминные концентраты, кормовые дрожжи, минеральные подкормки, кормовые антибиотики и др.

К подстилке для всех видов животных предъявляются те же требования по уровню радиоактивного загрязнения, что и к кормам. Это направлено на исключение возможности увеличения концентрации радионуклидов в рационе в результате потребления животными загрязненных растений, идущих на подстилку. 24]

1.3 Факторы, влияющие на переход радионуклидов из корма в мясо

Основными источниками поступления радионуклидов в организм животных являются корм, вода, почва, радиоактивные частицы, аэрозоли.

Радионуклиды поступают в организм животных через пищеварительный тракт с кормом и водой, через легкие с загрязненным воздухом, через поверхность кожи, через слизистые оболочки и раны. При радиационных инцидентах основное количество радионуклидов поступает через легкие, кожу и слизистые оболочки. Газообразные радионуклиды быстро всасываются с поверхности легких в кровь и разносятся по организму. Частицы размером 0,5−1 мкм задерживаются на 90% в легких, где всасываются в кровь. Часть частиц поглощается в легких макровагами и надолго остается в легочной ткани. Более крупные частицы оседают в верхних дыхательных путях. Из легких быстро всасываются в кровь хорошо растворимые соединения щелочных и щелочно-земельных элементов. Поступления через кожу может составлять 0,13−2,1%, при этом максимальное поступление у щелочных элементов, инертных газов, галогенов, а также у водорастворимых и жирорастворимых соединений. Через слизистые оболочки раны поступает менее 1% радионуклидов.

В настоящее время 95−98% радионуклидов поступает через желудочно-кишечный тракт с кормами и водой. Поступление зависит от характера кормопроизводства хозяйства (вид и набор кормов, содержание радионуклидов в корма или суточная активность рациона, от продуктивности и окультуренности кормовых угодий, а также от способа содержания животных, при этом минимальное поступление при стойловом содержании животных с кормлением скошенным зеленым кормом окультуренных угодий.

При выпасе скота одновременно с травой поступают радиоактивные частицы, почвенный грунт и отмершие части растений, содержащие радионуклиды. В организм крупного рогатого скота может поступать 300−600 г почвы. С водой поступление радионуклидов на несколько порядков ниже, чем с кормом.

В желудочно-кишечный тракт с кормом и почвой радионуклиды поступают в различных формах: 1) ионы, входящие в состав травянистого корма; 2) аэрозоли, адсорбированные на поверхности растений; 3) структурные и химические соединения, входящие в состав кормов; 4) силикатные и карбонатные частицы различной растворимости и др. Радионуклиды, попавшие в организм с кормом, включаются в основные процессы обмена веществ, т. е. всасывание в кровь, транспорт с кровью по организму, поступление и накопление в органах и тканях организма и выведение из организма. Основное место всасывания радионуклидов — кишечник, отделы которого по интенсивности всасывания располагаются в убывающем порядке: подвздошная 90Sr>65Zr>60Co>59Fe>54Mn>140Ba>106Ru>144Ce>90Y>239Pu. ]

На величину и скорость всасывания влияет концентрация радионуклидов в корме (прямая связь) и количество поступивших радионуклидов (чем больше видовой состав радионуклидов, тем меньше всасывается каждый отдельный радионуклид.

Из физиологических особенностей животных наибольшее влияние на всасывание оказывает строение пищеварительного тракта (у животных с однокамерным желудком всасывание выше, чем у животных с четырехкамерным желудком); возраст животных (у молодых животных интенсивный обмен веществ и высокая проницаемость мембран клеток кишечника, поэтому всасывание радионуклидов в 2−10 раз выше, чем у старых животных); масса животных (у мелких животных активный обмен веществ и активное всасывание радионуклидов с последующим распределением на меньшую массу); режимы организма (подвижные, активные животные имеют большие коэффициенты всасывания, чем пассивные); продолжительность контакта радионуклидов с клетками желудочно-кишечного тракта и скорость переваримости корма, чем быстрее переваривается корм и чем меньше времени он находится в ЖКТ, тем меньше всасывание); степень заполненности ЖКТ кормом до поступления радионуклидов (натощак всасывание в 2−5 раз выше). На всасывание радионуклидов влияет качество корма, особенно содержание в кормах клетчатки, которая хорошо поглощает радионуклиды, снижая их всасывание, а также содержание калия, кальция, микроэлементов, витаминов и веществ, связывающих радионуклиды в трудно доступные соединения. В звене клетки кишечника — кровь имеет место дискриминация стронция относительно кальция. При дефиците усвояемого кальция активно всасывается стронций. Всасывание стронция-90 в кишечнике уменьшается в 1,5−5 и более раз при введении в рацион трикальцийфосфата, а также кормового мела или доломитовой муки. Препараты на основе ферроцина содержат обменные катионы алюминия, которые вступают в ионно-обменные реакции с одновалентными ионами, особенно активно с ионами цезия. Благодаря этим реакциям цезий связывается в коллоидные соединения и значительно меньше всасывается. Известно, что 1 г ферроцина связывает 9,7· 1010 Бк. Цезий поглощается ферроцином в 1000 раз сильнее, чем натрий и в 100 раз сильнее, чем калий, поэтому введение ферроцина, с одной стороны, уменьшает всасывание цезия-137 и переход его в мясо в 2−5 раз, а в молоко — в 5−7 раз, а с другой стороны, — не уменьшает в организме содержание натрия и калия и не разрушает процессы обмена веществ в организме. Поступившие в кровь радионуклиды разносятся по организму, откладываются в органах и выводятся из организма. 15,18]

Поведение всосавшихся в кровь радионуклидов зависит от физико-химических свойств радионуклидов и их биологического значения для организма, возраста и физиологического состояния животных, кратности и длительности поступления радионуклидов в организм. Радионуклиды I группы периодической системы, относящиеся к щелочным элементам, т. е. натрий, калий, цезий не связываются с белками крови, мышц, печени, почек, поэтому 90 и более процентов их находится в свободном состоянии. В связи с этим для них характерна высокая скорость обмена в организме и сравнительно равномерное распределение. Цезий-137 накапливается преимущественно в мышечной ткани и во внутренних органах.

Радионуклиды II группы периодической системы, относящиеся к щелочно-земельным элементам, т. е. кальций, барий, стронций связываются в организме с белками крови и тканей. Кальций связывается в 2 раза больше, чем стронций. Установлено, что кальций и стронций связываются с альбуминами, иттрий и церий — с глобулинами. Естественные комплексообразователи организма — молочная, глутаминовая и лимонная кислоты — легко «отрывают» стронций от белка, образуя со стронцием комплексы. В тканях под действием ферментов или фосфатных анионов (РО4−3) комплексы разрушаются, при этом возникают свободные катионы стронция и фосфаты стронция, которые включаются в процессы формирования костной ткани. По химическому составу кость — это фосфат кальция с примесью ионов магния, натрия, карбоната кальция. Костные кристаллы очень мелкие. Они окружены органическим веществом — коллагеном и слоем воды, через который происходит обмен между ионами поверхности кристалла и внеклеточной жидкостью организма. Чем шире этот слой (например, у молодых животных), тем больше скорость обмена ионами и тем больше накопление стронция в кости. Стронций вначале накапливается в коллагене, откуда путем диффузии переходит в кристаллы, т. е. в костную ткань. Максимальная концентрация стронция в губчатых и компактных костях, минимальная — в трубчатых, с разницей в 1,7−2,6 раз. Кальций может вытеснять стронций из коллагена, т. е. имеет место дискриминация, что следует помнить при составлении рациона кормления животных. Накопление стронция-90 в мышечной ткани и внутренних органах в сотни раз ниже, чем в костной ткани, потому что его отложению в мышечной ткани препятствует молочная кислота. По способности связываться с белками крови и тканей радионуклиды образуют следующий ряд: 22Na = 137Cs = 40K < 90Sr< 45Ca< 90Y = 144Ce.

В отличие от стронция-90 и цезия-137 йод-131 относится к короткоживущим радионуклидам (Т½=8,06 сут). По прочности связи с белками организма йод-131 превосходит все радионуклиды. Более 70% поступившего йода-131 связывается с белками крови и с тиреоидными гормонами, причем в крови йод-131 связывается с эритроцитами. Плутоний и америций связываются с белками крови и органов и откладываются в скелете, печени, селезенке, семенниках и надпочечниках. 7,13,14]

Всасывание 144Се и 106Ru — очень слабое, т.к. они связываются почти полностью с белками, поэтому отложение в органах и тканях незначительное. Радионуклиды нейтронной активации (59Fe, 60Co, 65Zn) активно всасываются и накапливаются в паренхиматозных органах, тканях и скелете, при этом максимальное количество откладывается в печени.

По типу распределения в организме радионуклиды разделяются на 4 основные группы: 1-я группа — равномерный — элементы 1 группы периодической системы: водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, рутений; 2-я группа — скелетный (остеотропный) — щелочноземельные элементы: бериллий, кальций, стронций, барий, радий цирконий, иттрий; 3-я группа — печеночный: лантан, церий, плутоний, марганец, торий; 4-я группа — почечный: висмут, сурьма, мышьяк, уран. В особую группу с тиреотропным типом распределения выделяют йод, астат, бром.

При длительном (хроническом) поступлении радионуклидов в организм животных с кормом сначала происходит интенсивное накопление, а затем, по мере насыщения радионуклидами тканей, постепенно замедляется до наступления равновесия между поступающими в организм радионуклидами и радионуклидами, выводимыми из организма, при этом содержание радионуклидов стабилизируется. Равновесие может нарушаться при изменении содержания радионуклидов в корме.

Например, увеличение содержания радионуклидов в корме приводит к возрастанию накопления радионуклидов до установления нового равновесия, но на более высоком уровне. Снижение содержания радионуклидов в корме способствует выведению их из организма и уменьшению накопления.

Эти особенности учитываются при откорме животных в условиях радиоактивного загрязнения кормовых угодий.

Время установления равновесия зависит от свойств радионуклида, интенсивности обмена веществ, вида, возраста и физиологического состояния животных. В мышечной ткани и внутренних органах равновесия для цезия-137 устанавливается у крупного рогатого скота в интервале времени между 60-ми и 150-ми сутками.

Установлено, что радионуклиды из организма стельных самок переходят через плаценту к развивающемуся эмбриону и плоду. Плацента свободно пропускает калий и цезий, однако кальций проникает в 3−12 раз активнее, чем стронций. Распределение радионуклидов по организму плода в утробе самки подобно распределению по организму взрослого животного. 7,10,11]

2 Экспериментальная часть. Прогнозирование радиоактивного загрязнения мяса цезием-137 по суточной активности рациона

2.1 Условия и методика исследований Информация о результатах накопленных исследований миграции важнейших продуктов ядерного деления и их химических аналогов в цепи почва-растение-животное-мясо хотя и остается ограниченной, тем не менее известно, что содержание щелочных и щелочноземельных радионуклидов в мышечной и костной ткани животных выше, чем в получаемом от них молоке. Это особенно характерно для стронция-90 и цезия-137. Подтверждением этому служат данные характеризующие переход стронция-90 и цезия-137 и их носителей в цепи почва-растение-животноемясо, которые были получены нами на трех группах крупного рогатого скота, потребляющего хронически эти нуклиды в составе разных рационов.

Животных I группы кормили концентратным рационом из кормов искусственного луга, выращенном на участке перепаханном на глубину 60 см. Животные находились на круглогодовом стойлово-выгульном содержании. Животные II группы получали смешанный рацион из кормов искусственного луга, перепаханного на глубину 25−30 см, и также находились в течение года на стойлово-выгульном содержании. Животные III группы получали сенной рацион из трав естественного суходольного луга и находились в зимний период на стойловом содержании, в весенне-летне-осенний — на пастбищном. 14]

Результаты исследований радиоактивного загрязнения почвенно-растительного покрова сельскохозяйственных угодий и производимого на них мяса после катастрофы на ЧАЭС были условно сгруппированы по трем зонам: умеренного (зона 1, Россия), среднего (зона 2, Украина) и высокого (зона 3, Беларусь) радиоактивного загрязнения и были получены спектрометрическим методом по гамма-излучению. 14]

Метод определения содержания цезия Cs-137

1.Подготовка проб к измерениям

1.1 Отбор проб проводят в соответствии с ГОСТом

1.2 Подготовка проб к измерениям включает первичную обработку пищевых продуктов и их измельчение с целью лучшего усреднения пробы и увеличения массы пробы для размещения в измерительной кювете:

— клубни, корнеплоды, фрукты, пищевую зелень, мясо, рыбу и т. п. промывают проточной водой, удаляют несъедобные части продуктов;

— с колбасных изделий, сыра, кондитерских изделий снимают защитную оболочку, измельчают с помощью ножа, мясорубки и т. п.;

— твердые продукты, крупяные, бобовые, макаронные, хлебобулочные изделия измельчают с помощью ножа, мясорубки, терки, кофемолки;

— вязкие продукты (сгущенное молоко, мед, джемы и т. п.) при необходимости разбавляют до нужной консистенции дистиллированной водой, определив и зафиксировав исходную массу продукта и объем приготовленной смеси.

1.3 Приготовление счетного образца для измерения цезия Cs-137 зависит от используемого метода измерения и чувствительности используемой радиометрической установки. При измерении нативных счетных образцов предварительно подготовленную пробу размещают в выбранной измерительной кювете. Выбор измерительных кювет определяется методикой измерения радионуклида, допустимым уровнем активности радионуклидов в пищевых продуктах; характеристики измерительных кювет приведены в инструкциях к используемым радиометрическим установкам.

Для определения массы измеряемого образца кювету взвешивают до и после ее заполнения.

1.4 При необходимости увеличения чувствительности применяемых при исследовании методов измерения возможно использование методов термического концентрирования или частичного, либо полного, радиохимического выделения определяемого радионуклида. Допускается также использование других методов концентрирования и радиохимического выделения при условии их метрологической аттестации.

2 Измерение активности (удельной активности) цезия Cs-137 в счетных образцах

2.1 Общие требования к метрологическому обеспечению измерений активности (удельной активности) цезия Cs-137 должны соответствовать нормативным документам стран, присоединившихся к стандарту.

2.2 В качестве радиометрических установок при измерении активности цезия Cs-137 следует использовать сцинтилляционные и полупроводниковые гамма-спектрометры утвержденного типа, прошедшие поверку по требованиям нормативных документов стран, присоединившихся к стандарту.

2.3 Исходя из чувствительности выпускаемых гамма-спектрометров (минимальная измеряемая активность 3−10 Бк), при измерении цезия Cs-137 в пищевых продуктах с целью определения соответствия их установленным нормативам целесообразно использовать метод измерения нативных счетных образцов.

2.4 Масса (объем) анализируемой средней пробы в соответствии с ГОСТ обеспечивает приемлемую неопределенность получаемого результата в сосуде Маринелли объемом 0,5−1,0 дм.

Допускается для концентратов и сухих продуктов (сухое молоко, сухие овощи, фрукты, ягоды, грибы, чай, сушеная рыба и т. п.), а также для продуктов с высоким (более 100 Бк/кг) допустимым уровнем активности (приправы, кофе, рыба, икра и т. п.) применение сосудов Маринелли объемом 0,5 дм и чашки Петри.

2.5 Измерение активности проводят в соответствии с аттестованной методикой выполнения измерений (методикой измерений). Результаты измерений регистрируют в журнале.

2.6 Если при гамма-спектрометрическом измерении помимо цезия Cs-137 и калия К-40 обнаруживаются другие радионуклиды, то пробу необходимо измерить вторично по методике, предполагающей измерение более широкого радионуклидного состава.

2.7 Результаты лабораторных испытаний оформляют в форме протокола

3 Определение соответствия пищевых продуктов требованиям радиационной безопасности

3.1 Для определения соответствия пищевых продуктов критериям радиационной безопасности используют показатель соответствия B и неопределенность его определения B, значения которых рассчитывают по результатам измерений удельной активности цезия Cs-137 и стронция Sr-90.