Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

Научно-исследовательский институт биологии

Мониторинг генотоксичности радиационно-опасных зон

учебно-методическое пособие

для студентов факультета биологических наук, геолого-географического и физического факультетов, специализирующихся в области Экологии, Экологической генетики и Радиационной безопасности человека и окружающей среды

Шиманская Елена Игоревна,

Вардуни Татьяна Викторовна

г. Ростов-на-Дону

2012 г.

Учебно-методическое пособие содержит 8 учебных модулей, в содержании которых отражена информация об основных методах исследования токсичности и генотоксичности окружающей среды радиационно-опасных зон, оценке уровня тяжелых и радиоактивных металлов различных компонентов радиационно-опасных зон, а также о тест-объектах и тест-системах для проведения мониторинговых исследований состояния окружающей среды

Содержание

• Введение
• 1. Брио- и лихенофлора как тест-объекты для мониторинга токсичности и генотоксичности радиационно-опасных зон
• 1.1 Общие сведения о мхах и лишайниках
• 1.2 Способность брио- и лихенофлоры накапливать загрязняющие элементы, в том числе радиоактивные
• 1.3 Методика отбора и подготовки проб брио- и лихенофлоры к измерению
• 2. Тест-системы для оценки токсичности и генотоксичности окружающей среды радиационно-опасных зон с использованием брио- и лихенофлоры
• 2.1 Анализ цитогенетических показателей корневой меристемы пшеницы, пророщенной на субстрате бриофлоры
• 2.2 Определение биотоксичности компонентов среды радиационно-опасных зон
• 2.3 Хемилюминесцентный анализ
• 2.4 Химико-аналитические исследования
• 2.5 Гамма-спектрометрический метод радионуклидного анализа
• 2.5.1 Основы гамма-спектрометрии
• Список рекомендованной литературы
• Глоссарий
• Введение
• В окружающей нас природной среде насчитывается около 300 радионуклидов, как естественных, так и искусственных, т.е. получаемых человеком. В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов. При работе реакторов образуется около 80, при ядерных взрывах - около 200, промышленностью России выпускается более 140 радионуклидов. В результате ядерных взрывов, загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами, разработки месторождений различных полезных ископаемых, в том числе и ураноториевых, при авариях и инцидентах на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) и т.д происходит радиоактивное загрязнение биосферы, попадание радиоактивных веществ в живые организмы и среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву). Попадая в реки, озёра, моря и океаны, радиоактивные элементы поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей и мхов радиоактивные вещества переходят в зоопланктон, для которого водоросли и мхи служат пищей, а затем -- в организм моллюсков, ракообразных, рыб. С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья радиоактивные вещества поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, -- в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком -- в организм человека. При поглощении радиоактивных веществ растениями или животными обычно происходит значительное повышение их концентрации в биологических объектах по сравнению с содержанием радиоактивных веществ в окружающей среде.
• Организмы, которые накапливают те или иные радиоактивные вещества в особенно высоких концентрациях, называют "биоиндикаторами радиоактивного загрязнения"; так, водоросль кладофора особенно интенсивно накапливает 91Y, а моллюск большой прудовик -- 90Sr. Благодаря своему строению, мхи и лишайники обладают высокой влагоемкостью, а для мхов также характерна способность к широкому захвату питательных элементов из пыли воздуха. Кроме того, мхи хорошо зарекомендовали себя при биоиндикации загрязненности воздуха тяжелыми металлами.
• 1. Брио- и лихенофлора как тест-объекты для мониторинга токсичности и генотоксичности радиационно-опасных зон

1.1 Общие сведения о мхах и лишайниках

Мхи (Рис. 1), Моховидные или Бриофиты (лат. Bryophyta) -- отдел высших растений, насчитывающий около 12 тысяч видов. К этому типу относятся просто устроенные, в высших своих формах расчлененные на стебель и листья, в низших - образующие стелющийся по земле таллом (слоевище), растения. Их длина лишь изредка превышает 50 мм (исключение составляют водные мхи, некоторые из которых имеют длину более полуметра). У мхов нет цветков, корней (вместо них - лишь небольшие выросты, прикрепляющие их к почве, так называемые ризоиды и проводящей системы). Стебли имеют радиальное строение и одеты листьями, сидящими тесной спиралью и собранными на вершине их в виде почки. Размножаются мхи спорами, которые созревают в спорангиях на спорофите. В жизненном цикле, в отличие от сосудистых растений, преобладает гаплоидный (то есть с одинарным набором непарных хромосом) гаметофит (половое поколение). Гаметофит мхов -- многолетнее зелёное растение, нередко с листоподобными боковыми выростами и корнеподобными выростами (ризоидами), в то время как спорофит (или бесполая стадия жизненного цикла) короткоживущий, быстро усыхает и состоит только из ножки и коробочки, в которой созревают споры.

Мхи встречаются на всех континентах, в том числе в Антарктиде, нередко в экстремальных условиях обитания. Обычно мхи образуют плотные скопления в затенённых местах, нередко в непосредственной близости от воды, хотя могут встречаться и на относительно открытых, крайне сухих участках. Среди моховидных есть виды, живущие в пресноводных водоёмах. Морских обитателей нет, хотя некоторые виды поселяются на скалах в полосе прибоя .

Ранее отдел моховидных, помимо класса листостебельных мхов, или просто мхов, включал также Печёночные мхи и Антоцеротовые мхи, но сейчас эти таксоны повышены до уровня собственных отделов Marchantiophyta и Anthocerotophyta соответственно. Для обозначения совокупности этих трёх отделов используется неформальный собирательный термин мохообразные (Bryophytes). Класс мхов разделяют на три подкласса, хорошо различающихся между собой по строению спорогония и некоторым особенностям гаметофита: Сфагновые (Sphagnidae), Андреэевые (Andreaeidae) и Бриевые (Bryidae) .

Лишайники (Рис.2) (лат. Lichenes) представляют своеобразную группу комплексных организмов, тело которых всегда состоит из двух частей: гриба и водоросли, т.е. в основе биологии лишайников лежит явление симбиоза - сожительства двух различных организмов. Водоросль обычно располагается в плотном теле гриба и прячется там от сильных ветров, ударов дождевых капель и кусочков льда, от снега и холода. Не все водоросли поселяются в грибном теле, а только самые выносливые -- сине-зеленые, желто-зеленые, бурые, зеленые. Другие просто гибнут от недостатка света или от воздействия тела гриба. Водоросль питает гриб веществами, которые она вырабатывает в процессе своей жизнедеятельности. Гриб образует специальные всасывающие органы, которые проникают внутрь клетки водоросли или плотно прижимаются к ее оболочке. Но если грибные клетки становятся слишком активными, водоросль погибает. Помимо вышесказанного, лишайники отличаются от других растений тем, что не имеют настоящих корней для активного поглощения воды и защиты от испарения, поэтому они не способны к регуляции водного баланса. Поверхность лишайника может удерживать воду на короткое время в форме жидкости или пара. Минимальное содержание воды в лишайниках в природных условиях составляет примерно 2 - 15% от сухой массы слоевища.

Сейчас известно более 20000 лишайников, и каждый год ученые обнаруживают и описывают десятки и сотни новых неизвестных видов, и такое многообразие неудивительно, если учесть, что лишайники чрезвычайно широко распространены на земном шаре -- они встречаются почти во всех наземных и даже некоторых водных экосистемах . Особенно велика их роль в тундровых, лесотундровых и лесных биогеоценозах, где они составляют заметную часть растительного покрова. Лишайники являются, как правило, первыми организмами, заселяющими субстрат в процессе первичной сукцессии. Они обычно первыми заселяют безжизненные места, не боятся ни холода северной тундры, ни безводья и жары африканской пустыни. Попав на голые скалы лишайники выделяют особые кислоты, способствующие растворению субстрата, и тем самым участвуют в процессах выветривания, внося существенный вклад в процессы почвообразования. На скалах и утёсах лишайники являются важными первоначальными организмами. Они крепятся к поверхности горной породы или даже проникают внутрь. При этом сильно меняют внешний вид горных пород, особенно их цвет, и образуют вокруг себя углубления. Лишайники не делают различий между естественными и искусственными субстратами, покрывая стены, крыши, заборы, надгробия и другие постройки.

Лишайники окрашены в самые различные цвета: белый, розовый, ярко-желтый, оранжевый, оранжево-красный, серый, голубовато-серый, серовато-зеленый, желтовато-зеленый, оливково-коричневый, коричневый, черный и некоторые другие. Окраска слоевища лишайников зависит от наличия пигментов, которые откладываются в оболочках гиф, реже в протоплазме. Наиболее богаты пигментами гифы корового слоя лишайников и различные части их плодовых тел. У лишайников различают пять групп пигментов: зеленые, синие, фиолетовые, красные, коричневые. Механизм образования их до сих пор не выяснен, но совершенно очевидно, что важнейшим фактором, влияющим на этот процесс, является свет .

1.2 Способность брио- и лихенофлоры накапливать загрязняющие элементы, в том числе радиоактивные

Определение активности радионуклидов в атмосферном воздухе проводят для контроля локальных выбросов на аспирационных установках. При оценке же состояния атмосферной среды применяют способы, основанные на использовании низших растений (грибов, водорослей, лишайников) и мхов.

Сфагновые мхи, благодаря экофизиологическим особенностям, являются эффективными сорбентами пылевых частиц из воздуха . Эти мхи, выполняя функции сорбирующей поверхности и живого поглотителя, накапливают 90Sr и 137Cs, преимущественно, из атмосферных выпадений. По перехвату глобального 137Cs они находятся на первом месте в ряду: мхи - лишайники - высшие растения.

Широко известен факт высокой чувствительности многих видов лишайников к загрязнению. Эта чувствительность обусловлена их физиологией и симбиотической природой - лишайники чутко реагируют на характер и состав субстрата, на котором они растут, на микроклиматические условия и состав воздуха. Одним из детально разработанных и многократно апробированных методов индикации атмосферного загрязнения является лихеномониторинг, т.е. использование лишайников в качестве объектов наблюдения и химических анализов. Из-за отсутствия механизмов контроля газообмена через устьица этих низших растений отложение газообразных соединений из атмосферы происходит по всей поверхности лишайников. Задерживаются загрязняющие вещества в лишайниках в основном в корпускулярной форме в межклеточном материале. Основными проявлениями реакции лишайников на атмосферное загрязнение служат утечка ионизированного кальция вследствие разрушения и изменения проницаемости клеточных оболочек, изменение характера флюоресценции хлорофилла, свидетельствующее о деградации пигмента, уменьшение фиксации азота и изменение ферментативной активности.

1.3 Методика отбора и подготовки проб брио- и лихенофлоры к измерению

генотоксичность радиационный лихенофлора тест

Отбор представительных проб из объектов окружающей среды выполняется с использованием механических приборов сбора по предварительно установленной и зафиксированной схеме отбора пробы, учитывающей условия объекта и данные о его состоянии.

Сбор проб мхов и лишайников проводят в наиболее чувствительный для экосистем период - с июня по июль, когда количество выпавших осадков минимально. Отбор проб производят с почвы, камней, фундаментов зданий, с коры деревьев. Мхи и лишайники собирают на пунктах отбора площадью 5х5 м. После взятия каждого образца, его упаковывают в бумажный или полиэтиленовый мешок, удаляя случайно попавшие в него посторонние предметы (листья, угольки, камни и др.).

Отобранную пробу маркируют с указанием точки отбора, времени отбора, условий отбора и количественной характеристики пробы (вес, объем, площадь и т. д.), очищают наружную поверхность тары от механического загрязнения и упаковывают для транспортировки в лабораторию.

Пробоподготовка заключается в следующем: пробы мхов и лишайников высушивают в сушильном шкафу при температуре 105-110°С до абсолютно сухого состояния в течение суток или более, затем пробу измельчают.

Для определения радионуклидного состава из всей пробы отбирают необходимое количество образца, взвешивают (на сухую массу пробы производится расчет радионуклидов) и переносят в специальный сосуд нужного объема (счетную геометрию). Полученный счетный образец герметично запаковывают, выдерживают его в течение двух недель до установления радиоактивного равновесия в ряду 222Rn и передают на измерение.

2. Тест-системы для оценки токсичности и генотоксичности окружающей среды радиационно-опасных зон с использованием брио- и лихенофлоры

2.1 Анализ цитогенетических показателей корневой меристемы пшеницы, пророщенной на субстрате бриофлоры

Оборудование и химическая посуда

* Термостат 360 С

* Холодильник

* Микроскоп

* Чашки Петри

* Мерная посуда для приготовления растворов

* Обезжиренные предметные и покровные стекла

* Скальпель

* Пинцеты

* Пробирки

· Микроскоп

Реактивы

* Фиксатор Кларка - спирт, ледяная уксусная кислота в соотношении 3:1.

Краситель - 2% орсеин, ледяная уксусная кислота, молочная кислота

Ход работы.

Для выявления генотоксичности использовался ана-телофазный анализ проростков корешков пшеницы (triticum sativum ), гороха посевного (Pisum sativum).

Ана-телофазный анализ -- простой, экономичный метод, который не требует знания кариотипа и идентификации хромосом. Он позволяет выявить лишь определенные типы хромосомных аберраций, но его чувствительность вполне достаточна для заключения о присутствие генотоксикантов.

Пшеницу проращивают в чашках Петри, положив ее на фильтровальную бумагу, пропитанную исследуемой водой или же проб земли, доведенных до гомогенного состояния, залитых дистиллированной водой, либо субстрат из мха, лишайника и др. биологических объектов. Как только корешки достигают 1 см в длину, от них отрезают кончик с зоной делений клеток длиной 0,3 см и помещают в фиксатор Кларка. Через один час фиксатор меняется. В фиксаторе материал хранится трое суток при 40 С.

Фиксация материала, т.е. быстрое умерщвление клеток в специально подобранных растворах реактивов-фиксаторов, прерывает тот или иной процесс в клетке, вызывая необратимые изменения. При этом коллоиды протопласта переходят в нерастворимое состояние. Известно много фиксаторов, но каждый из них имеет определенное назначение. Очень важно выбрать такой фиксатор, который, убивая клетку, минимально искажает ее прижизненную структуру и отвечает целям исследования. Обычно фиксатор представляет собой смесь нескольких реактивов, каждый из которых редко используется для фиксации вследствие одностороннего действия.

В цитологических исследованиях широко применяют, особенно для изготовления давленых препаратов, «уксусный алкоголь», или фиксатор Кларка (3:1). Материал выдерживают в фиксаторе от 2 до 12 ч, а иногда и хранят в нем при температуре 0-3 °С.

Состав фиксатора Кларка: абсолютный этиловый спирт, или его 96%-й раствор, -- 3 части, ледяная уксусная кислота -- 1 часть.

Для приготовления препаратов хромосом клеток корневой меристемы корешки прокрашивают в течение 3 суток в красителе, затем производят подсчет общего числа просмотренных клеток и числа аберраций каждого класса: а) одиночный фрагмент; б) мосты; в) отставания; г) множественные нарушения.

Анализ спектра аберраций проводится с выделением хроматидных (одиночных) и хромосомных (двойных) мостов и фрагментов, трехполюсных и К-митозов, а также отставаний хромосом (рис.3 ). При оценке отставаний учитывать хромосомы, лежащие отдельно от разошедшихся «шапок» на расстоянии, не менее чем вдвое превышающем толщину хромосомы.

Увеличение числа генетически аномальных клеток говорит о высокой мутагенной активности среды и снижении защитных свойств организма. Наиболее чувствительны к воздействию внешней среды молодые делящиеся клетки.

Схемы хромосомных аберраций на стадии анафазы:

А -- одиночный (1) и парный (2) фрагменты; Б -- хроматидный (1, 2) и хромосомный (3) мосты.

Цитотоксичность оценивают по изменению митотической активности клеток корневой меристемы лука. Митотический индекс (МИ) определяют по формуле:

,

где П -- количество клеток, находящихся на стадии профазы; М -- количество клеток, находящихся на стадии метафазы; А -- количество клеток, находящихся на стадии анафазы; Т -- количество клеток, находящихся на стадии телофазы; И -- неделящиеся клетки, находящиеся на стадии интерфазы.

Микрофотографии митозов корневой меристемы гороха посевного (Pisum sativum).

А, Б - метафазы; В, Г - нормальные анафазы; Д - анафаза с анцентрическим фрагментом, Е - телофаза с разорванным дицентриком Populus piramidalis: Ж - метафаза; З - метафаза и поздняя анафаза с дицентриком; И, К - нормальные ана-телофазы; Л - анафаза с дицентриками; М - анафаза с ацентрическими фрагментами.

Статистическая обработка результатов исследования.

Статистическую обработку результатов проводили по критерию Стьюдента.

По формуле:

где p - % анафаз с аберрациями хромосом; n - общее число проанализированных анафаз.

Критерий Стьюдента:

, где

M1, M2 - процент анафаз с аберрациями хромосом в контроле и в опыте;

m1, m2 - статистические ошибки.

t ? 1,96 p< 0,05 (*)

t ? 2,59 P<0,01 (**)

t ? 3,29 P<0,001 (***)

Таблица 1

Протокол анализа генотоксичности

Вариант	Кол-во анафаз	Из них с АХр	АХр(%)±m	T	Мосты один.	Мосты множ.	Фрагм.один.	Фрагм. множ.	Отставания
Контроль (дист.вода)
Точка 1
Точка 2
Точка 3

2.2 Определение биотоксичности компонентов среды радиационно-опасных зон

Методику определения интегральной токсичности поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных и очищенных сточных вод, водных экстрактов из объектов окружающей среды (почва, отходы производства и потребления, осадки сточных вод и др.) в лабораторных условиях проводили с использованием измерительного прибора «Биотоке-10» и тест-объекта «Эколюм».

Принцип метода

В качестве тест-объекта используется препарат лиофилизированных люминесцентных бактерий «Эколюм». Методика основана на определении изменения интенсивности биолюминесценции бактерий при воздействии химических веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту.

Острое токсическое действие исследуемой пробы на препарат «Эколюм» определяется по гашению их биолюминесценции за 30-ти минутный период экспозиции.

Количественные оценки тест-реакции выражаются в виде безразмерной величины - индекса токсичности «Т» и функциональными токсикологическими параметрами ЕС20 и ЕС50.

Индекс токсичности «Т», равный отношению Т=100(1о-1)/1о, где 1о и I соответственно интенсивность биолюминесценции контроля и опыта при фиксированном времени экспозиции исследуемой пробы с бактериями.

Методика допускает три пороговых уровня индекса токсичности:

допустимая степень токсичности образца: индекс токсичности Т меньше 20;

образец токсичен: индекс Т равен или больше 20 и меньше 50;

образец сильно токсичен: индекс токсичности Т равен или более 50.

Токсикологические параметры пробы ЕС20 и ЕС50, определяемые также посредством измерения 1о и I, позволяют быстро и экономно выяснить вопрос, при каких объемах исходного слабо токсического образца достигается установленный предел токсичности (ЕС20 и/или ЕС50) или при каких разведениях сильно токсический образец станет безопасным (величины менее ЕС20).

ЕС50 - эффективный объем образца (в опытах с чистым химическим соединением -концентрация), вызывающий тушение свечения биосенсора на 50% по сравнению с контролем. В этом случае образец сильно токсичен (индекс токсичности равен 50). ЕС20 - эффективный объем образца, (в опытах с чистым химическим соединением - концентрация) который приводит к 20%-ному тушению свечения биосенсора по сравнению с контролем. В этом случае образец токсичен (индекс токсичности равен 20). Все значения величин менее ЕС20 свидетельствуют о том, что образец безвреден для человека.

Люминометр «Биотокс-10» автоматически вычисляет величины ЕС20 и ЕС50.

Таблица 2

Протокол токсикологического анализа

Группы	Место забора пробы и дата	Величина индекса токсичности «Т»	Вывод о степени токсичности пробы
1		50 и более	образец сильно токсичен
2		20 -50	образец токсичен
3		До 20	допустимая степень токсичности

Характеристики погрешности

Метрологические характеристики методики: характеристика погрешности (границы, в которых находится погрешность), ± 5% - 19,6, характеристика случайной составляющей погрешности (среднее квадратичное отклонение случайной составляющей погрешности) а(5), % -10,0 при доверительной вероятности 0,95.

2.3 Хемилюминесцентный анализ

Навеску растительной ткани (5мг) растирали в 1 мл физиологического раствора. Гомогенат центрифугировали при 3000 об/мин. В течение 10 минут. Реакционную смесь, содержащию 2 мл. 5*10-4 М раствора люминола в 0,1 М трис-HCL буфере pH 7,4 и 200 мкл исследуемого образца термостатировали при 30С. В кювету с реакционной смесью вносили 450 мкл 0,35 М раствора H2O2. Регистрировали максимальную быструю вспышку (Imax). Расчёт светосуммы хемилюминесценции проводили с учётом фонового свечения и выражали в относительных единицах (количество импульсов в секунду) (Шестаков и др. 1979). Хемилюминесцентный анализ проводили на приборе AutoLumat Plus LB 953 фирмы Berthold Technologies.

Приготовление люминола:

4,425 мг люминола в чистую сухую посуду + 10 мл 1н HCl (прогреть до растворения, 60оС)

+6,06 г Триса

+Н2О до 450 мл

HCl до рН 6,8

+Н2О до 500 мл

Приготовление буфера:

1) КН2РО4 3,4 г до 250 мл

2) К2НРО4*3Н2О 5,7 г до 250 мл

Раствор 2 доводить до рН 7,4 раствором 1.

Таблица 3

Протокол результатов исследования

Постановка	Высота быстрой вспышки (мм)	Светосумма за 100 сек	Светосумма за 500 сек

2.4 Химико-аналитические исследования

Химический анализ проб воды и почвы экспериментального участка для выявления тяжелых металлов проводили с помощью аппарата рентгеновского для спектрального анализа «Спектроскан MAKC-GV», который представляет собой спектрометр рентгеновский сканирующий кристалл-дифракционный портативный вакуумный (в дальнейшем спектрометр). Предназначен для качественного и количественного рентгенофлуоресцентного анализа в соответствии с методиками выполнения измерений, аттестованными в установленном порядке, в диапазоне от натрия до урана (Паспорт РА5.000.000 ПС к аппарату для спектрального анализа СПЕКТРОСКАН MAKC-GV, 2006). По интенсивности аналитических линий может быть путем пересчета определено содержание химических элементов в образце. Диапазон определяемых содержаний от 0,1-0,0001 % до 100 % без концентрирования и от 10-6 -10-7 % до долей процента - с концентрированием.

Принцип работы

Исследуемый образец, установленный в пробозагрузочное устройство, в рабочем положении облучается рентгеновской трубкой. В результате взаимодействия рентгеновского излучения с веществом в исследуемом образце возникает вторичное флуоресцентное излучение, в спектре которого присутствуют характеристические линии тех элементов, которые входят в состав образца. Наличие в спектре линий данного элемента свидетельствует о присутствии его в образце, а интенсивность этих линий позволяет судить о содержании элементов.

Принцип действия спектрометра основан на последовательном выделении кристаллом характеристических линий флуоресцентного излучения исследуемого образца, возбуждаемого излучением острофокусной рентгеновской трубки, регистрации интенсивности этих линий и пересчета их в содержание соответствующих элементов.

2.5 Гамма-спектрометрический метод радионуклидного анализа

2.5.1 Основы гамма-спектрометрии

Удельная активность. Гамма-спектрометрический метод определения удельной активности радионуклидов - один из самых распространенных методов в практике контроля радиационного качества материалов, в радиоэкологии и во многих областях науки.

Определение удельной активности i-го радионуклида в счетном образце массой m определяется по соотношению (1):

(1),

где Ni(E) - число отсчетов за время измерения t в фотопике (за вычетом аппаратурного фона) с энергией E (определяется экспериментально); qi(E) - квантовый выход гамма-квантов с энергией E для i-го радионуклида (табличная величина, измеряется в долях); (E) - эффективность регистрации гамма-квантов с энергией E для радиометрической установки в используемой геометрии измерения; t - время измерения спектра (определяется экспериментально, измеряется в секундах); k(E) - поправка на самопоглощение гамма-излучения с энергией E в счетном образце с плотностью ; m - масса пробы (в кг).

Если у радионуклида имеется несколько интенсивных гамма-линий, то его удельная активность определяется по каждой из них, а результаты усредняются и погрешность определяется как среднеквадратичное отклонение результатов отдельных определений от среднего:

(2),

где n - число измерений; - среднее значение.

Эффективность регистрации. Эффективность регистрации, как и энергетическое разрешение, относится к основным параметрам, характеризующим все существующие типы спектрометров.

В прикладной спектрометрии преимущественно используется понятие абсолютной эффективности регистрации в ППП абс, под которым понимается отношение числа частиц определенной энергии, зарегистрированных в ППП в единицу времени, к внешнему излучению источника, установленного на заданном и фиксированном расстоянии от детектора.

В соответствии с этим определением абс рассчитывается по формуле:

(3),

где N - число отсчетов без учета фоновых импульсов;Fвн - внешнее моноэнергетическое излучение данного типа, испускаемое источником.

Эффективность регистрации спектрометра определяется в относительных единицах или в процентах.

Погрешность гамма-спектрометрического метода. Одной из характеристик радиометров является погрешность.

Погрешность измерения можно представить в виде суммы систематической составляющей сист и статистической стат, то есть:

=сист+стат (4)

В первую составляющую погрешности входит погрешность аттестации самих образцовых источников, с помощью которых градуировался радиометр (обычно она не превышает 7%) и погрешности, вносимой в процессе самой градуировки. Сумма этих значений не более 10-20%.

Статистическая составляющая погрешности зависит от чувствительности регистрации радиометра Р, времени измерения t и активности пробы А.

При измерении проб с высокой активностью значение стат гораздо меньше сист, поэтому полное значение погрешности определяется величиной сист. При измерении проб с малой активностью положение меняется и надо учитывать обе составляющие.

Для радиометров фоновые характеристики хорошо известны, то есть фоновая скорость счета nф импульсов измерялась заранее и многократно с хорошей статистикой, с достаточной для практики точностью справедливо следующее соотношение:

(5)

Здесь следующие размерности:

[nф]=имп/с (или, более конкретно, с-1),

[P]=с-1Бк-1,

[A]=Бк.

Таким образом, при увеличении времени измерения в 4 раза, значение стат уменьшается как, то есть всего в 2 раза, а при увеличении чувствительности регистрации это снижение прямо пропорционально. Однако, увеличение Р за счет, например, объема или площади детектора приводит также к увеличению его фона, поэтому выигрыш пропорционален величине , которая и служит основной мерой при сравнении возможностей двух радиометров.

Предел определения. Предел определения - это минимальная концентрация элемента в пробе, которая может быть определена по рассматриваемой методике с заданной воспроизводимостью.

Для оценки ожидаемых пределов определения ЕРН и ИРН используется соотношение:

(6)

где Nf - полное число отсчетов фона под фотопиком (в том числе аппаратурного и комптоновского фона реальной пробы); - заданные погрешности определения (в долях).

Определение нижнего предела измерений НПИ звучит так: это та активность, которую можно измерить за время t со статистической составляющей погрешности стат при доверительном интервале 0,95.

Из формулы (5), полагая, что стат=50% и t=3600с, получим:

(7)

Энергетическое разрешение R. Аппаратурный фон. Наиболее важным параметром, характеризующим технический уровень спектрометра любого типа, является разрешающая способность, то есть способность обнаружить две группы моноэнергетического излучения одного вида. Разрешающую способность количественно оценивают по энергетическому разрешению, являющемуся величиной, обратно пропорциональной разрешающей способности. Под энергетическим разрешением R понимается полная ширина ППП на половине его высоты. Обычно R выражается в энергетических единицах (эВ, кэВ). Физический смысл этого параметра заключается в том, что он определяет, какая минимальная разница в энергиях Е должна быть у двух моноэнергетических групп заряженных частиц или фотонов одинаковой интенсивности, чтобы спектрометр смог их различить.

Энергетическое разрешение выражают в относительных единицах. Относительное энергетическое разрешение Rотн в процентах определяется как:

(8),

где Е1-энергия регистрируемого излучения.

=0,55R0,1/R (9)

Коэффициент 0,55 нормирует на единицу в случае нормального распределения. Одновременно вводятся такие понятия, как коэффициенты асимметрии 0,5 и 0,1, являющиеся отношениями полуширин, находящихся слева и справа от оси ППП на высоте 0,5Н и 0,1Н этого пика соответственно (0,5=Rл/Rп), (0,1=R0,1(л)/R0,1(п)). При гауссовом распределении 0,5 и 0,1 равны единице.

Наиболее простым и доступным способом снижения аппаратурного фона детектора является применение многослойной пассивной защиты.

Особенности определения ЕРН и ИРН.

Определение радионуклидов ряда 238U.

226Ra определяется по продуктам распада 222Rn: 214Pb (по фотопикам 295,2кэВ (18,9%) и 352,6кэВ (36,3%)) и 214Bi (по фотопику 609,3кэВ (45,5%)) в условиях их радиоактивного равновесия с 222Rn; для определения 226Ra результаты по трем фотопикам усредняются.

238U определяется следующим образом. По удельной активности 226Ra вычисляется его вклад в площадь фотопика 186,0кэВ (3,25%), из полной площади фотопика 186кэВ вычитается вклад 226Ra и определяется часть площади фотопика 186кэВ, соответствующая 235U. Затем определяется активность 235U с учетом известного изотопного состава природного урана.

210Pb определяется по фотопику 46,5кэВ (4,05%).

235U при значительном содержании урана в образцах можно определить по его фотопикам 143,8кэВ (10,9%) и 163,4кэВ (5,0%); результаты по двум фотопикам усредняются.

Определение радионуклидов ряда 232Th.

232Th обычно в природных объектах находится в радиоактивном равновесии с радионуклидами его семейства 228Ac, 212Pb и 208Tl.

228Ac определяется по трем его фотопикам 338,3кэВ (12,4%), 911,2кэВ (27,7%) и 969,6кэВ (17,3%).

212Pb определяется по фотопику 238,6кэВ (44,6%).

208Tl определяется по фотопику 583,2кэВ (84,6%).

40К определяется по фотопику 1460,8кэВ (10,4%).

7Ве определяется по фотопику 477 кэВ (10,3%).

Искусственные радионуклиды - это продукты деления тяжелых ядер (ПД) и продукты активации (ПА). Они образуются, в основном, при испытаниях ядерного оружия (1945-80 гг.) (глобальные ИРН) и при работе предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ), в том числе при эксплуатации и, особенно, при авариях АЭС (например, при аварии ЧАЭС 1986 г.).

Среди ИРН, поступающих в окружающую среду, при работе предприятий ЯТЦ наибольшее значение, кроме указанных выше, имеют 134Cs; долгоживущие глобальные 85Kr и 129J, а также трансурановые элементы 238-240Pu, 241Am.

137Cs определяется по пику 661,7кэВ (85,2%)

134Cs определяется по пику 795,84кэВ (85,4%)

241Am определяется по пику 59,537кэВ (35,9%)

2.5.2 Описание спектрометра с GeHP детектором

Германиевые детекторы - полупроводниковые детекторы, имеющие структуру с р-i-n переходом, в которых встроенная (i) область является чувствительной к ионизирующему излучению, особенно к рентгеновским лучам и гамма-излучению.

Поскольку германий имеет сравнительно низкую зону проводимости, данные детекторы должны охлаждаться, чтобы уменьшить тепловую генерацию носителей заряда в акцепторном слое. Иначе, наведенные помехи тока утечки снижают разрешающую способность по энергии детектора. Жидкий азот, который имеет температуру 770К - общая охлаждающая среда для таких детекторов. Детектор помещен в вакуумную камеру, которая помещена в сосуд Дьюара. Чувствительные поверхности детектора, таким образом, защищены от влажности и конденсирующихся загрязняющих примесей.

Для спектрометра Canberra регламентированы следующие условия:

-энергетический диапазон 0,013 - 1,5 МэВ;

-приведенная эффективность 25,1%;

-разрешение для пика 122 кэВ - 0,937 кэВ, для пика 1332 кэВ - 1,94 кэВ;

-обработка ППП по методике, реализованной программой Гамма;

-отношение пик-комптон 51,7:1.

Конфигурация GeHP детектора

Типичная абсолютная эффективность

Типичное разрешение по энергии для различных типов детекторов



Криостат для ППД

Таблица 4

Протокол результатов исследований

Объект, Адрес, Дата отбора	Объем пробы, л	Удельная активность, (Бк/л)	Погрешность %, (Р=0,95)
		U-238 Ra-226 Pb-210 Th-234 Pb-212,Tl-208 Th-232,Ac-228 K-40 Cs-137
		U-238 Ra-226 Pb-210 Th-234 Pb-212,Tl-208 Th-232,Ac-228 K-40 Cs-137

Заключение

В заключение необходимо отметить, что для оценки генотоксичности окружающей среды урбанизированных экосистем целесообразно применение целого комплекса тест-систем, позволяющих оценивать воздействие на генетический аппарат различных видов живых организмов. Применение тест-системы с использованием почечной меристемы многолетних растений позволяет оценить не только воздействие мутагенных факторов, присутствующих в окружающей среде в данный момент времени, но и накапливающихся в течение длительного периода, предшествующего началу весеннего тока пластических веществ.

Таким образом, предлагаемый подход позволяет учесть три основные концепции экологического изучения городов: концепцию анализа воздушной среды и выбросов в атмосферу с изучением состава атмосферных выпадений; концепцию водооборота города с оценкой ресурса и качества питьевых и хозяйственных вод, полноты очистки и сброса сточных вод; а также концепцию анализа депонирующих сред: снег, растения, донные отложения и, конечно, почва.

Список рекомендованной литературы

1. Алексахин Р.М. Ядерная энергия и биосфера. М.: Энергоатомиздат, 1982

2. Бадяев В.В., Ю.А. Егоров, С.В. Казаков. Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1990

3. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества. Справочник. Л.: Химия, 1990

4. Гусев Н.Г., В.А. Беляев. Радиоактивные выбросы в биосфере. Справочник. М. 1987

5. Действие ионизирующей радиации на биоценоз. Под ред. М.С. Гилярова, Р.М. Алексахина. М.: Наука, 1988

6. Дурилов А.П. Радиоактивное загрязнение и его оценки. М.: Энергоатомиздат, 1993

7. Козлов В.П. Справочник по радиационной безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1999

8. Моисеев А.А., В.И. Иванов. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. М.: Энергоатомиздат, 1990

9. Мосинец У.Я. Атомная энергия и радиационная безопасность. М.: Энергоатомиздат, 1988

Глоссарий

in vitro - неживое.

in vivo - живое.

Vasa vasorum - сосуды, питающие стенки самих сосудов.

Абсорбция - поглощение вещества всем объемом поглотителя.

Автолиз - саморастворение, распад тканей животного или растительного организма под влиянием ферментов, содержащихся в этих живых тканях.

Активность - интенсивность излучения радиоактивного источника; количество атомов, распадающихся в единицу времени. Единица СИ называется Беккерель (обозначение Бк), соответствует одному акту распада в секунду. Ранее в качестве единицы применялся Кюри (обозначение - Ки), который соответствует 3,7·1010 Бк.

Аллостерический - регулирующий производство ферментов в клетках.

Альфа-частица - частица с зарядом, равным двум положительным элементарным единицам; ядро атома гелия, содержащее два протона и два нейтрона; испускается при распаде некоторых радионуклидов.

Анафаза - третья фаза непрямого деления клетки (митоза).

Анион - ион с отрицательным зарядом.

Антропогенный - вызванный человеческой деятельностью.

Аплазия - врожденное отсутствие части тела или органа.

Аппроксимация - приближенное выражение каких-либо величин (или геометрических объектов) через другие более известные или более простые величины.

Артефакт - Образования или процессы, возникающие иногда при исследовании организма вследствие какого-либо воздействия или обработки и в норме не свойственные организму.

Асцитная жидкость - жидкость, находящаяся внутри какой-либо полости.

Атом - мельчайшая частица химического элемента, состоит из ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его электронов.

Атомный номер - число протонов в ядре атома. Обозначение - Z.

Аэрозоль - частицы твердого тела или капли жидкости, взвешенные в газообразной среде.

Беккерель - единица СИ активности радиоактивных изотопов. Обозначение - Бк, соответствует одному акту распада в секунду.

Бета-частица - элементарная частица, испускаемая при распаде некоторых радионуклидов. Обычно это электрон, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом. Реже - позитрон, элементарная частица с положительным электрическим зарядом.

Биогенный - биологического происхождения.

Биота - совокупность видов растений и животных, объединенных общей областью распространения.

Бэр - Внесистемная единица эквивалентной дозы. Представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма. 1 бэр = 0,01 Зв.

Выпот - жидкость, выходящая из кровеносного русла в полости (плевральную, брюшную).

Выщелачивание - вынос растворимого компонента из пористого твердого вещества просачивающейся водой.

Гамма-излучение - фотон с высокой энергией (коротковолновый, < 10-8 см); электромагнитное излучение, возникающее при некоторых процессах радиоактивного распада.

Гемолиз интактный - разрушение красных кровяных телец (эритроцитов) с выделением из них гемоглобина в окружающую среду в результате непрямого воздействия (облучение и т.п.).

Гемопоэз - процесс кроветворения у человека и животных.

Гетерогенность - неоднородность, разнообразие.

Гидролиз - химическое взаимодействие вещества с водой.

Гидрофобный - боящийся растворения.

Гистамин - биологически активное вещество, относящееся к так называемым биогенным аминам.

Гликолиз - распад углеродов в животном организме без участия кислорода с образованием молочной кислоты.

Гомеостаз - совокупность сложных приспособительных реакций организма, направленных против действия внешней или внутренней среды, нарушающих постоянство внутренней среды организма.

Гомогенный - однородный, обладающий одинаковыми свойствами.

Горячие частицы - частицы радиоактивных выпадений размером в несколько микрометров или меньше, активность которых на несколько порядков превышает активность основной части выпавших радиоактивных осадков.

Грей - единица СИ поглощенной дозы, обозначение - Гр, соответствует 1 Дж/кг.

Гуморальный (фактор) - связанный с жидкостями организма (кровью, лимфой).

Гумус - органическое вещество, образующееся в результате разложения растительных и животных останков.

Дезактивация - удаление радиоактивных веществ или очистка от них.

Дезаминирование - удаление аминокислот.

Детерминирование - определение, обусловливание.

Дочерний продукт (нуклид) - стабильный или радиоактивный нуклид, возникающий при распаде исходного материнского радионуклида. Иногда образуется цепочка последовательных радиоактивных дочерних продуктов.

Естественная радиация - радиация окружающей среды, обусловленная излучением природных радиоактивных элементов и космическими лучами.

Зиверт - единица СИ эквивалентной дозы облучения. Представляет собой поглощенную дозу (в греях), умноженную на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать органы или ткани организма. Обозначение - Зв.

Изотопы - нуклиды данного химического элемента, которые при одном и том же числе протонов в ядре отличаются разным числом нейтронов и, следовательно, разными атомными массами.

Ингибирование - подавление, замедление.

Ингибитор - вещество, замедляющее протекание химических реакций, замедляющее или прекращающее обмен веществ.

Инкорпорация - включение в свой состав, присоединение.

Интерфаза - состояние животной или растительной клетки между двумя последовательными клеточными делениями. В этот период в клетке протекают интенсивные процессы обмена.

Ион - атом или группа атомов с электрическим зарядом.

Ионизация - приобретение или потеря одного или нескольких электронов нейтральным атомом или молекулой с образованием иона.

Катаболизм - реакции обмена веществ в организме, соответствующие диссимиляции и заключающиеся в распаде сложных органических веществ.

Катион - ион с положительным зарядом.

Коагуляция - укрупнение частиц в дисперсных системах.

Коллективная доза - термин, часто используемый для обозначения коллективной эффективной дозы.

Коллективная эффективная доза - произведение от умножения средней эквивалентной дозы, полученной группой подвергнутых облучению людей, на число людей в этой группе.

Коллоид - высокодисперсное состояние вещества с частицами размером от отдельных молекул до 1 мкм (10-6 м).

Компартмент - сравнение.

Комплементарная спираль - средство накопления; белковое вещество, содержащееся в сыворотке крови каждого животного.

Концентрирования коэффициент - отношение содержания элемента или нуклида в поглощающем теле (или специфической ткани, органе и т.п.) к его содержанию в том, из чего он поглощается, или к его содержанию в окружающей среде.

Кумуляция - совокупное воздействие, суммирование.

Кюри - внесистемная единица радиоактивности, обозначение - Ки, соответствует 3,7·1010 актам распада в секунду.

Лабильность - неустойчивость, нестойкость; функциональная подвижность, скорость протекания возбуждения в нервной или мышечной тканях.

Латентный - скрытый, внешне не проявляющийся.

Линогенез - процесс, связанный с образованием фермента - линазы.

Массовое число - общее число протонов и нейтронов в ядре данного атома; обозначение - A.

Материнский радионуклид - радионуклид, производящий дочерний радионуклид при радиоактивном распаде.

Метаболизм - обмен веществ в организме.

Метаболиты - вещества, возникающие в организме в процессе обмена веществ.

Метаморфизм - процесс изменения структуры под влиянием температуры.

Метафаза - вторая фаза непрямого деления клетки (митоза).

Митоз - непрямое деление клетки, при котором происходит сложное преобразование клеточного ядра (хромосом).

Митохондрия - один из видов органоидов клетки (хондриосома).

Молекула - наименьшая частица химического соединения, которая может независимо существовать, сохраняя его химические свойства.

Морфологический - относящийся к внешнему виду и строению.

Мощность дозы - поглощенная доза в единицу времени.

Мутагенез - процесс возникновения мутаций (радиационный, химический и др.).

Мутация - внезапное и резкое наследственное изменение какого-либо признака организма.

Нейтрон - нейтральная элементарная частица, масса которой почти равна массе протона.

Нуклид - изотоп какого-либо элемента, характеризующийся определенным суммарным количеством и соотношением протонов и нейтронов (иногда также определенным энергетическим состоянием ядра).

Облучение - воздействие ионизирующего излучения на какой-либо материал.

Органеллы - функционально важные образования у одноклеточных организмов.

Органотропный - оказывающий специфическое воздействие на орган.

Переаминирование - биохимическая реакция, сопровождающая обмен веществ.

Период полураспада - время, за которое распадается половина ядер какого-либо радиоизотопа.

Перманентный - постоянный, непрерывный.

Пикноз ядра клетки - уплотнение.

Пиримидиновые (димеры) - частный случай полимеров.

Плутоний - трансурановый химический элемент семейства актиноидов, атомный номер 94.

Поглощенная доза - количество энергии, полученное при облучении единицы массы поглотителя. Единица в системе СИ - «грей», обозначение - Гр, 1 Гр = 1 Дж/кг.

Продукт активации - радионуклид, образовавшийся в результате облучения стабильного нуклида.

Продукт распада - нуклид, образовавшийся при распаде радионуклида.

Продукт ядерного деления - нуклид (радиоактивный или стабильный), образующийся непосредственно в результате реакции ядерного деления или последующего распада первичных осколков деления.

Пролиферация - разрастание ткани животного или растительного организма путем новообразования клеток.

Протон - положительно заряженная элементарная частица атомной массой, равной примерно единице.

Рад - внесистемная единица поглощенной дозы; 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

Радиоактивность - испускание ядрами неустойчивых атомов элементарных частиц, других ядер или электромагнитного излучения.

Радиоактивные выпадения - выпавшие на поверхность (Земли) радиоактивные частицы, возникшие в самой атмосфере или поднятые с суши, радиоактивность которых обусловлена ядерными взрывами или авариями.

Радиоактивный распад - превращение радионуклида в более устойчивый нуклид, сопровождающееся радиоактивным излучением (такое превращение может осуществляться с образованием промежуточных менее устойчивых дочерних продуктов).

Радиобиология - наука об использовании, применении и воздействии радиоактивности на биологические системы.

Радиогенный - радиационного происхождения.

Реверсия - проявление у организмов свойств и признаков, характерных для их далеких предков.

Регенерация - восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и тканей.

Редупликация - удвоение.

Резистентность - сопротивляемость.

Резорбция - повторное поглощение, всасывание.

Репарация - восстановление.

Репликация - воспроизведение.

Репопуляция - воспроизведение, обновление популяции.

Ресинтез - возобновление процесса синтеза.

Ретикулоэндотелиальная система - система клеток, которые переваривают и уничтожают другие клетки и инородные частицы.

Ригидность - негибкость, оцепенелость, вызванная напряжением мышц.

Седиментация- оседание твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под влиянием силы тяжести.

Сенсибилизаторы - средства, повышающие чувствительность к внешнему воздействию.

Сенсибилизация - повышение чувствительности организмов, их клеток или тканей к действию какого-либо вещества.

СИ единицы (Международная система единиц) - общепринятая система единиц физических величин, основанная на следующих единицах: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела.

Синергизм - способность к совместному действию.

Скорость осаждения - отношение активности продуктов, осаждающихся на единицу поверхности в секунду, к активности продуктов, находящихся в единице объема соприкасающегося с ним воздуха.

Соматический - телесный.

Сорбция - общий термин для процессов адсорбции, абсорбции и персорбции.

Стохастический - вероятностный.

Стохастический - относящийся к случайным переменным.

Субстрат - основа (предмет или вещество), к которой прикреплены животные или растительные организмы.

Суперпозиция - наложение.

Терригенный - земного происхождения.

Толерантность - терпимость.

Топливный цикл - циклический процесс изготовления тепловыделяющих элементов и использования их в реакторе повторной обработки с целью извлечения неиспользованной части ядерного топлива (а также образовавшегося плутония) для перезаправки и повторного использования тепловыделяющих элементов.

Унитарный - единый, объединенный, составляющий одно целое.

Фаг - вирус, поражающий бактерии.

Фитопланктон - совокупность растительных организмов, населяющих толщу воды морей и пресных водоемов и пассивно переносимых течением.

Фосфорилирование - биохимическая реакция.

Хемогенный - химического происхождения.

Хроматин - хорошо окрашивающееся при гистологической обработке вещество ядра животных или растительных клеток.

Цитоплазма - не входящая в ядро часть протоплазмы животных и растительных клеток.

Человеко-зиверт - единица коллективной эффективной эквивалентной дозы, полученной путем умножения средней эффективной эквивалентной дозы на число людей, подвергшихся облучению.

Эквивалентная доза - поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать органы или ткани организма. Единица СИ - зиверт, обозначение - Зв.

Экосистема - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания с соответствующими физическими условиями жизнедеятельности.

Эксгаляция - выделение, испарение.

Экскреция - выделение, удаление из организма конечных продуктов обмена веществ.

Экстраполяция - продолжение, обобщение.

Эксцизия - вырезание.

Электрон - стабильная элементарная частица, материальный носитель наименьшей массы и электрического отрицательного заряда в природе.

Элемент - вещество, состоящее только из атомов с одним и тем же атомным номером.

Элиминация - удаление, уничтожение, исключение.

Элонгация - удлинение.

Эффективная доза - эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей и органов к облучению; отражает суммарный эффект облучения для организма.

Ядерное топливо - радиоактивный материал, например 235U, претерпевающий реакцию ядерного деления, в соответствующем виде, пригодном для использования в ядерном реакторе.

Ядро - положительно заряженное ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов.

Размещено на Allbest.ru

...