Радионуклидов в организме животных и птицы

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 < ободочная < тощая < двенадцатиперсная кишка. В подвздошной кишке поглощается более 50% радионуклидов. Цезий и стронций всасываются, в основном, в тонком отделе кишечника, а у жвачных животных дополнительно в преджелудке. Всасывание радионуклидов осуществляется через мембраны клеток кишечника. Мембрана имеет определенную структуру и состав, обеспечивающие избирательный и неравномерный характер поглощения. Механизм всасывания радионуклидов объясняет мембранная гипотеза, согласно которой всасывание разделяется на активное и пассивное и зависит от величины ионного потенциала, т.е. от заряда и радиуса иона. При активном всасывании выделяют активный транспорт, ускоренную диффузию и пиноцитоз.

Активный транспорт, или активный перенос, идет против градиента концентрации с использованием энергии АТФ при участии ферментов АТФ-аз, которые присоединяют ионы натрия, водорода, цезия, кальция, железа, церия и выносят их в кровь. Ускоренная диффузия идет по градиенту концентрации с участием специальных белков-переносчиков. Пиноцитоз осуществляется с помощью клеток, поглощающих радионуклиды путем обволакивания и переносящих их через стенки кишечника в кровь. При пассивном всасывании радионуклиды избирательно проникают через мембрану и поры клеток подобно макро- и микроэлементам по градиенту концентрации. Интенсивно поступают в кровь те ионы, у которых ионный радиус меньше радиуса пор клеток кишечника.

Интенсивность всасывания количественно оценивается коэффициентом всасывания, который определяется как отношение количества радионуклида, перешедшего в кровь к количеству радионуклида, поступившего с рационом. На всасывание радионуклидов оказывает влияние форма и физико-химические свойства радионуклидов, физиологическое состояние животных, количество корма и другие менее значимые факторы. Известно, что водорастворимые формы, одновалентные ионы всасываются активно. Хорошо всасываются радионуклиды относящиеся к элементам I группы таблицы Менделеева (щелочные), элементы VII группы (галогены), элементы II группы (щелочно-земельные), кроме бария. Величина всасывания натрия-22, цезия-137 и йода-131 может составлять у крупного рогатого скота 100%, а стронция-90 — 40-60% и бария-140 —15%. Трансурановые и редкоземельные элементы образуют в кишечнике плохорастворимые комплексы, поэтому всасывание слабое и составляет от 0,001 до 2,3%. Чем больше массовое число элемента, тем меньше коэффициент всасывания. По скорости всасывания радионуклиды располагаются в убывающем порядке: ¹³¹I >¹³⁷Cs>⁴⁵Ca>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 1г 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.

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 – каллогеном 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 каллогене, 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 каллогена, 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 (Т_1/2=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.

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 развивающимся 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.

Неотъемлемым процессом поведения радионуклидов в организме является процесс выведения через желудочно-кишечный тракт и почки с калом и мочой, а также в меньшем количестве через легкие и кожу. У стельных и лактирующих животных часть радионуклидов выводится с плодом и молоком.

Время, в течение которого исходное количество радионуклида уменьшится в два раза, называется эффективным периодом полувыведения (Т_эфф.).

Уменьшение концентрации радионуклидов происходит за счет 2-х основных факторов – это радиоактивный распад и обмен веществ.

Эффективный период полувыведения определяют по формуле:

где Т_физ – физические процессы, обусловленные радиоактивным распадом, т.е. период полураспада радионуклида – время, за которое количество радионуклида за счет распада ядер уменьшится в два раза; Т_{биол .} – физиологические процессы, обусловленные обменом веществ, т.е. биологический период полувыведения – время, за которое выводится половина поступившего количества радионуклида.

Эффективный период полувыведения короткоживущих радионуклидов определяется периодом полураспада, долгоживущих – биологическим периодом полувыведения.

Радионуклиды быстро выводятся из тканей с высокой скоростью обмена веществ, т.е. из мышечной ткани. Водорастворимые и свободные радионуклиды, которые хорошо всасываются в кровь (натрий, цезий, калий, йод), выводятся через почки.

Радионуклиды, которые плохо всасываются кальций, стронций, барий, церий, кобальт, выводятся через желудочно-кишечный тракт. Эффективный период полувыведения цезия-137 из мышечной ткани КРС составляет 20-30 суток, причем 35% цезия-137 выводится через 3 суток.

Остеотропные радионуклиды выводятся очень медленно. Для выведения радионуклидов используют различные методы, ускоряющие выведение из первичных мест поступления, а также методы, способствующие выведению радионуклидов из органов и тканей организма.