Опасными загрязнителями окружающей среды являются радиоактивные отходы ядерной энергетики, катастрофы, связанные с излучением, испытанием ядерного оружия. По силе воздействия на живые организмы и отдаленным последствиям они многократно превосходят любые другие неблагоприятные факторы внешней среды.
У радиоактивных изотопов ядра атомов способны самопроизвольно распадаться и излучать α-, β- и γ- лучи. Эти лучи обладают высокой энергией и способны в месте ее поглощения взаимодействовать с веществом и образовывать электрически заряженные частицы, то есть, ионизировать это вещество. Чем выше энергия излучения радиоактивного изотопа, тем больший ущерб он наносит живой клетке. Наиболее опасными являются радиоизотопы 60Со, 131J, 90Sr, 210Pb, 238U.
Различают прямое и косвенное действие радиации на живые организмы. Прямое действие состоит в радиационно-химических превращениях молекул в месте поглощения энергии излучения. Непрямое или косвенное действие заключается в повреждении молекул, мембран, органелл клетки продуктами радиолиза воды.
Облучению подвергаются все компоненты живой клетки: вода, низкомолекулярные и высокомолекулярные органические соединения, в том числе белки, ферменты, нуклеиновые кислоты и другие, жизненно важные соединения. Ионизация молекул и атомов приводит к образованию высокоактивных в химическом отношении свободных радикалов и окислителей, которые повреждают клеточные структуры.
Заряженная частица излучения вызывает ионизацию молекул воды:
Н2O → Н2O+ + ē
Н2O + ē → Н2O—
Эти ионы за очень короткое время жизни (10-15 — 10-10 с) способны образовать химически активные свободные радикалы (ОН. и Н.) которые взаимодействуют между собой, образуя перекиси и гипероксид радикал (HO2.):
Н2O+ → H+ + OH.
Н2O— → H. + OH—
H. + OH. → Н2O
OH. + OH. → Н2O2
Н2O2 + OH. → Н2O + HO2.
В присутствии кислорода усиливается образование гипероксида (Н. + O2 → HO2.), который является мощным окислителем, и усиливается повреждение клеток. Этим объясняется кислородный эффект при облучении. Он проявляется в том, что уровень лучевого поражения уменьшается при снижении концентрации кислорода в период облучения. И, наоборот, при повышении концентрации кислорода в тканях действие радиации усиливается.
Свободный радикал представляет собой частицу, имеющую неспаренный электрон на внешней электронной орбитали. Свойством свободного радикала является его высокая химическая активность и то, что он не может исчезнуть, пока не прореагирует с другим свободным радикалом.
Свободные радикалы и перекиси за короткое время жизни (10-6 — 10-5 с.) повреждают и изменяют нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран и т.д.
Кроме теории прямого и косвенного действия немецким физиком Ф. Дессауэром была предложена теория мишени, которая была развита в 1922-1933 годах работами Б. Спэрроу, Н.В. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера и Д. Ли. Под мишенью понимают наиболее чувствительную структуру клетки, попадание в которую ионизирующего излучения сопровождается проявлением ярко выраженного радиобиологического эффекта. Такой структурой является ядро клетки, а первичной мишенью — молекулы ДНК, отвечающие за рост и деление клеток, системы регуляции, передачу наследственных признаков.
В лучевом поражении организмов большую роль играют также токсические продукты окисления биомолекул и ненасыщенных жирных кислот (радиотоксины), которые образуются в результате радиационного повреждения клеток. К этим соединениям относятся липидные радиотоксины, фенолы, орто- и семихиноны. Эти соединения повреждают мембраны и генетические структуры клетки, вызывают нарушения генетического кода.
Радиотоксины, выделенные из растений и введенные в организм животных (и наоборот), вызывали весь спектр радиобиологических эффектов. На клеточном уровне организации живого радиационно-биологические процессы одинаковы как для животных, так и для растений.
У растений радиоактивное излучение сказывается на репродуктивной функции, вызывает стерильность облученных особей и бесплодие дочерних организмов, аномалии вегетативных органов, пигментные нарушения, увядание и преждевременное опадение листьев. Высокие дозы облучения вызывают гибель растений.
Из тканей растения наиболее чувствительны к радиации меристемы.
На разных этапах развития растения проявляют неодинаковую чувствительность к радиации. Наиболее устойчивы сухие семена и почки в состоянии покоя. Наиболее чувствительны проростки и вегетирующие растения. Радиочувствительность деревьев зимой, в состоянии покоя, в три раза ниже, чем при облучении летом.
Виды растений очень значительно различаются по устойчивости к ионизирующему излучению.
Летальные дозы однократного кратковременного γ-облучения для различных растений
| Вид | Доза облучения, Р | Вид | Доза облучения, Р |
| Овес | 330 | Картофель, капуста | 1260 |
| Кукуруза | 420 | Свекла сахарная | 1340 |
| Рожь, ячмень | 435 | Естественные травы | 1200 |
| Пшеница | 450 | Тисс | 80 |
| Горох | 400 | Сосна веймутова | 100 |
| Томат | 1240 | Ель сизая | 102 |
| Рис | 1960 | Лиственница японская | 125 |
| Лен | 2070 | Дуб красный, береза | 800 |
| Хлопчатник | 1010 | Клен красный | 1000 |
На ранних этапах развития жизни на Земле естественный радиоактивный фон был намного выше современного и постоянно уменьшался из-за распада многих радиоактивных элементов земной коры. Возможно, по этой причине организмы более древнего происхождения (мхи и лишайники) отличаются более высокой радиоустойчивостью.
В 1970 году в США был проведен опыт с гамма-излучением (137Cs) в лесу. Лес подвергался действию излучения в течение 6 месяцев. Спустя 7 лет вокруг центра излучения обозначились концентрические круги: в первом круге (вблизи источника излучения) все сосудистые растений погибли, остались лишь только лишайники и некоторые виды мхов; во втором преобладали осоки; в третьем преобладали кустарнички; в четвертом — дуб; в пятом — дуб и сосна. Таким образом, по мере увеличения интенсивности излучения происходили следующие изменения: вначале исчезала сосна, затем дуб, затем кустарнички, травы, и, наконец — мхи и лишайники. Шло явное упрощение состава фитоценоза.
Тот факт, что сосна очень чувствительна к радиоактивному излучению, подтверждено и обследованиями лесов в 30-километровой зоне вокруг Чернобыльской АЭС после аварии 1986 года.
На степень радиационного поражения организмов в лесном биоценозе влияют следующие факторы: величина поглощенной дозы, радиочувствительность отдельных видов, возрастная стадия роста и развития, погодные условия.
Колебания радиочувствительности отдельных представителей растительного покрова достигают пятисот раз. Наибольшей радиочувствительностью отличается древесный ярус, особенно хвойные породы.
Лиственные древесные растения в 5-10 раз более радиоустойчивы, чем хвойные.
Травянистые растения и большинство кустарников более устойчивы к ионизирующему излучению по сравнению с древесными растениями. В среднем, травянистые растения в 10 раз устойчивее древесных.
Низшие растения (мхи, лишайники, водоросли) исключительно устойчивы к облучению, угнетение их жизнедеятельности наблюдается при очень больших дозах радиации.
Наиболее устойчивым компонентом биоценозов к облучению является почвенная микрофлора. При дозах, губительных для высших растений и животных, почвенная микрофлора, как правило, не страдает.
Значительная часть радионуклидов при выпадении из атмосферы в составе твердых аэрозолей задерживается преимущественно в кронах деревьев. После этого начинается их вертикальная и горизонтальная миграция, на первом этапе которой важными агентами являются атмосферные осадки и ветер. Осадки перемещают радионуклиды из верхней части кроны в нижние, а затем и под полог леса. Ветер переносит радионуклиды из крон одних деревьев в другие, под полог насаждений и на прилегающие территории, причем наиболее интенсивно в начальный, относительно короткий период, особенно при отсутствии дождей.
Важную роль в перемещении радионуклидов под полог леса играют процессы биологической миграции: опадение листьев, хвои, мелких ветвей и других загрязненных частей деревьев. В результате такой миграции в лиственных лесах уже через год после выпадения продуктов деления доля их в кронах снижается в несколько раз и, соответственно, возрастает загрязнение лесной подстилки и почвы. В хвойных лесах самоочищение крон происходит в 3-4 раза медленнее. По истечении этого наиболее опасного периода радиоактивные вещества перемещаются в лесную подстилку и почву, где прочно фиксируются.
После распада короткоживущих радионуклидов в течение 2-3 лет отмечается нормализация ростовых процессов у частично пораженных растений. Долгоживущие радионуклиды переходят в почву и поступают в растения по корневому пути. Это время оценивается как окончание острого периода и стабилизация радиационной обстановки.
Установлено, что через 7 лет после аварии на Чернобыльской АЭС в 30-километровой зоне исчезли такие виды растений, как василек рейнский, полынь Маршала, подорожник индийский. Ученые прогнозируют, что из растительных сообществ в этом районе могут исчезнуть такие чувствительные к облучению виды, как подмаренник мягкий и подмаренник настоящий, ракитник русский, вербейник обыкновенный, ястребинка зонтичная. В то же время ученые считают, что, поскольку эти виды не являются доминирующими в фитоценозах, их исчезновение существенно не отразится на стабильности растительных сообществ с этой зоне.
После острого облучения, которое растения получили в период аварии на ЧАЭС, и распада короткоживущих радионуклидов наступил период хронического облучения. Он может длиться несколько десятков лет. Например, период полураспада 137Cs — 30 лет, 90Sr — 28 лет.
Опасность на значительной территории европейской части России после чернобыльской аварии представляют цезий-137 и стронций-90. Эти элементы, кроме того, что являются долгоживущими, являются химическими аналогами калия и кальция, соответственно, отличаются высокой биологической активностью и подвижностью. При недостаточном калийном питании растения интенсивно поглощают из почвы цезий-137. Внесение калийных удобрений снижает поступление этого радиоизотопа в растения. При этом калийные удобрения наиболее эффективны при оптимальном содержании в почве микроэлементов. Известкование кислых почв сдерживает поступление и накопление в растениях цезия-137.