Радиационный фон Лекция № 1 Естественный радиационный фон Земли

Радиационный фон
Лекция № 1
Естественный
радиационный фон
Земли
Антропогенный радиационный фон
Ионизирующее излучение
Радиация (излучение) – энергия, испускаемая
каким-либо источником (электромагнитное,
тепловое, гравитационное, космическое,
ядерное)
 Ионизирующее излучение – обладает двумя
отличительными свойствами:
- способно проникать через вещество;
- проходя через вещество взаимодействует с
атомами и молекулами, что приводит к их
возбуждению и ионизации

Естественный радиационный фон Земли
Источники:
1) Терригенные радионуклиды, рассеянные в почве, воде, воздухе,
возраст которых совпадает с возрастом планеты:
Калий –40 (40К), уран-238 (238U), торий-232 (232Th), продуктов распада тория
и урана, а также радона (219-282 Rn) и радия (226Ra)
2) Космическое излучение первичное (протоны высоких энергий, ядра
некоторых легких элементов)
3) Вторичное космическое излучение - короткоживущие радионуклиды,
образующиеся в верхних слоях атмосферы при взаимодействии газов
стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий (первичного
космогенного излучения): ядра новых легких элементов, а также мюоны,
нейтроны, рентгеновское и гамма-излучение
С участием нейтронов вторичного космического излучения в атмосфере
образуются радиоактивные ядра C-14, Н-3 и Р-32.
Естественные радиоактивные изотопы,
изначально присутствующие на Земле
в настоящее время сохранилось 23 элемента с Т1/2 >107 лет
радионуклид
Содержание в
земной коре, т
Т1/2, лет
Тип распада
Уран-238
3*106
4,5*109
α-распад
Торий-232
8*106
1,4*1010
α-распад; γ-распад
Калий-40
3*1016
1,3*109
β-распад; γ-распад
Ванадий-50
4,5*107
5*1014
γ-распад
Рубидий-87
8,4*105
4,7*1010
β-распад
Индий-115
1*107
6*1014
β-распад
Лантан-138
1,6*108
1,1*1011
β-распад; γ-распад
Самарий-147
1,2*106
1,2*1011
α-распад
Лютеций-176
3*108
2,1*1010
β-распад; γ-распад
Тяжелые естественные изотопы образуют
четыре радиоактивных семейства:
N
семейство
Родоначальник
семейства
Т1/2 , лет
(1*109=1 млрд)
1
Урана-радия
U-238
Т1/2 = 4.51*109
2
Тория
Th-232
Т1/2 = 14*109
3
Актиния
U-235
Т1/2 = 7.13*108
4
Нептуния
Np-232
Т1/2 = 2.2*106
•Родоначальник каждого ряда характеризуется большим периодом
полураспада, сопоставимым со временем жизни Земли (4,5-5 млрд.лет) и
Солнечной системы.
•Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца (Старков, Мигунов,
2003, с 32-35)
Первичные геологические
источники
радионуклидов фона:
верхние слои литосферы
Концентрации
радионуклидов, Бк/г
40К
238U
232Th
Граниты
0.999
0.054
0.00081
Сланцы
0.703
0.00044
0.000044
Песчаники
0.57
0.00002
0.00001
Известняки
0.888
0.0028
0.000019
почвы
0.150.66
0.0090.031
0.0120.048
почва
Воздействие
микрофлоры,
воды, воздуха,
Перепадов температур
граниты, сланцы,
песчаники и др.
Естественные радиоактивные
изотопы, входящие в семейства и
их взаимодействие с биотой
U – уран
открыт в 1789 г
U-235 открыт в 1935 г
Встречается в среде в минералах (уранитах, кариотитах и др. –
всего более 100 минералов). В свободном виде уран в земной
коре не встречается.
 Природный уран состоит из смеси 3 изотопов: 238U (99,282%),
235U (0,712%) и 234U (0,006%).
238U - Т
9
1/2=4,47*10 лет;
235U - Т
8
1/2=7,13*10 лет (В отличие от 238U, в 235U возможна

самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как
топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии);
- Т 1/2=2,52*105 лет
Концентрация в слоях земной коры – 1015т (2,4*10-4 %), в
морской воде – 1010 т (3,1*10-7%).
Альфа-излучатель (U3O8).
234U


Действие урана на биоту






Суточное поступление урана в организм человека от 1 до 300 мкг.
Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает
10−7 г.
В микроколичествах (10−5 — 10−8 %) обнаруживается в тканях
растений, животных и человека. В наибольшей степени
накапливается некоторыми грибами и водорослями.
Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте
(около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме:
селезенка, почки, печень, скелет, легкие, бронхо-легочные
лимфатические узлы.
Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана
и его соединений.
Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе
0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3.
При попадании в организм уран действует на все органы, являясь
общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана
связан с его способностью подавлять активность ферментов. В
первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации
возможны нарушения кроветворения и нервной системы.
Торий
(227Th, 228Th, 232Th – всего 6
изотопов)
открыт в 1828 г








Наиболее долгоживущий изотоп 232Th, Т 1/2=1,389*1010 лет
Все изотопы альфа-излучатели (с энергией около 5 МэВ), пробег в воздухе
около 5 см.
Распространен в горных породах (торианите, торите), в основном
магматического происхождения
В природных водах содержится особенно мало Th: в пресной воде 2×10-9 %,
в морской воде 1×10-9%.
Плохо растворим в воде и кислотах - очень слабо мигрирует в биосфере и
гидротермальных растворах.
Поступает в организм в незначительных количествах, плохо всасывается в
желудочно-кишечном тракте, выводится из организма с экскрементами.
Поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным
мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками. Накопление в
костях- до 1,8 Бк/г.
У человека суточное поступление Тh с продуктами питания и водой
составляет 3 мкг;
Малотоксичен, однако, как природный радиоактивный элемент вносит свой
вклад в естественный фон облучения организмов
Радий, открыт в начале 20 века,
все 4 изотопа радиоактивны


Содержание Ra-226 в
пищевых продуктах, Бк/кг


Хлеб белый
0.092
Хлеб черный
0.096
Картофель
0.35
Капуста
0.06
Молоко
0.01
Говядина
0.03
Свинина
0.05
треска
0.15
сельдь
0.12




Радий-226 (Т=1602 г),
Образуется при распаде урана-238, в отличие
от урана, находится вне кристаллической
решетки и легко переходит в воду – обладает
большой подвижностью;
Добывается из урановых руд. В 1 т урана в
урановых рудах содержится около 0,34 г радия.
Альфа-излучатель;
Продукты распада: Ra-226  Rn (радон) и
актиний – Ас
Наибольшее поступление в организм человека с продуктами питания
Поведение в организме сходно с поведением
кальция, наибольшее количество
накапливается в костях (0,2 Бк/г, около 80% от
поступившего в организм радия), в 30-70 раз
меньше в печени и почках, в 1000 раз меньше в
мышечной ткани
Большие концентрации радия вызывают
остеопороз и злокачественные опухоли.
Радон - инертный газ,
образуется при распаде радия









Изотопы Rn-222 (T1/2=3.823 дня), Rn-218 (Т1/2=1,9*10-2 с), торон-220
(Т1/2=54,5 с), актинон-219 (Т1/2=3,92 с)
Все изотопы – альфа-излучатели;
Rn-222 - мощный альфа-излучатель (до 5 МэВ), дочерний продукт – Ро210
Попадает в окружающую среду из минералов
в 7,5 раз тяжелее воздуха - скапливается в подвалах, ложбинах
Вследствие химической инертности не вступает в реакции
биологического обмена - не накапливается в живых организмах
В легкие проникает с воздухом, сорбируясь на частицах пыли, на
аэрозолях
Формирует облучение эпителия слизистой носоглотки, трахеи, бронхов,
альвеол
Максимальная лучевая нагрузка на легкие формируется в
географических широтах с холодным климатом – сниженной
вентиляцией помещений.



Актиний – Ac: изотопы: актиний-227 (Т=21,8 года),
мезоторий-228 (Т=6,13 часа), - альфа- и бетаизлучатель
Астат – (At): 4 изотопа – все радиоактивны,
альфа- и бета- излучатели, наиболее
долгоживущий астат-210 (Т=8,3 часа)
Свинец – Рb: 3 устойчивых изотопа и 4
радиоактивных – бета-излучателя, наиболее
долгоживущий - свинец-210 (Т=22 года)
Полоний – Ро: 8 естественных радиоактивных
изотопов, все альфа-излучатели, наиболее
долгоживущий Ро-209 (Т=102 года) *
Изотопы полония входят в состав естественных радиоактивных
рядов:
(Т1/2 = 138,376 суток), 218Po (Т1/2 = 3,10 мин) и 214Po (Т1/2 =
1,643·10−4 с) — в ряд 238U;
 216Po (Т1/2 = 0,145 с) и 212Po (Т1/2 = 2,99·10−7 с) — в ряд Th;
 215Po (Т1/2 = 1,781·10−3 с) и 211Po(Т1/2 = 0,516 с) — в ряд 235U.
В настоящее время известны 33 изотопа полония в диапазоне
массовых чисел от 188 до 220.
Кроме того, известны 10 метастабильных возбужденных состояний
изотопов полония.
Полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах.
Равновесное содержание полония в земной коре 2·10−14 % по
массе.

210Po
Т1/2 для 209Ро
в 2007 г скорректировано (на 12 лет больше, чем
указанное в периодической таблице)
A note on the half-life of 209Po
R. Collé , a, , , Lizbeth Laureano-Pereza and Iisa Outolaa
aIonizing Radiation Division, Physics Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 1
Gaithersburg, MD 20899-8462, USA
Abstract
The widely adopted value of (102±5) a for the 209Po half-life, which is based on a single determination
reported in 1956, appears to be in error by a large factor. Decay data from two separate primary
standardizations of a 209Po solution standard, conducted approximately 12 years apart, are
inconsistent with the adopted value and its assigned uncertainty. An estimated half-life, larger
than the adopted value by about 25%, is more consistent with the standardization data. A longer
half-life is also supported by measurements on a recently standardized 210Pb solution standard.
Keywords: Half-life; Polonium-209; Radioactivity
Applied Radiation and Isotopes Volume 65, Issue 6, June
2007: 728-730
Токсичность

210Ро
Полоний-210 при попадании в организм считается одним из самых
токсичных веществ
Токсичность обусловлена:.
 Высокой удельной активностью (166 ТБк/г) – поэтому в результате
попадания на кожу альфа-частицы вызывают сильное лучевое поражение
кожи;
 полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы.
210Ро опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц,

так как его соединения саморазогреваются и переходят в аэрозольное
состояние (металлический полоний способен легко образовывать
мельчайшие частицы аэрозолей) – результат: внутреннее облучение.
 Летальная доза Ро-210 для организма взрослого человека - 0,1–0,3 ГБк
(0,6-2 мкг) – при попадании через легкие; 1-3 ГБк (6-18 мкг) - при попадании
в организм через пищеварительный тракт. (расчеты с помощью
математической модели радиационного травления).
 Отравление Ро-210 (Литвиненко, 2006; Цепов-2004)
Естественные радиоактивные изотопы, не
входящие в радиоактивные семейства
Всего более 200
изотопы
символ
Т1/2
Тип распада
Калий-40
К
1,3х109 лет
бета
Углерод-14
С
5730 лет
бета
Рубидий-87
Rb
5,8х1010 лет
бета
Самарий-147
Sm
6,7х1011 лет
альфа
Лютеций - 176
Lu
2,4х1010 лет
бета
Рений-187
Re
4х1012 лет
бета
В результате изолированного акта радиоактивного распада
образуются стабильные элементы
Радиоактивный калий (40К) – основной
радионуклид фона, Т 1/2=1,3*109 лет
Содержание 40К в природной смеси изотопов
39К(93,08%)+40К(0,012%)+41К(6,91%) не зависит от звеньев миграции
Содержание К-40 в пищевых
продуктах, Бк/кг
Питьевая вода
0.1-0.3
Хлеб
30-70
Картофель (клубни)
100-150
Хорошо мигрирует по пищевым
цепям
В рационе человека в сутки
содержится
До 4,5 г К-40
1 г К-40 испускает в секунду
Фрукты
50-100
Овощи
40-240
Бобовые культуры
До 370
Мясо
80-120
Распад атомов К-40:
Рыба
90-110
88% - (бета, гамма) --> Са-40
Молоко
35-45
12% - (К-захват) --> аргон-40
26,2 бета-частиц с
максимальной энергией 1,3 МэВ
и 3,4 гамма-кванта
Поведение К-40 в
организме человека
Миграция калия-40:
почва




Биологическая функция К –
обеспечение функционирования
мембран клеток, внутриклеточного
давления, передача нервного импульса
и пр.
Диффузно распределен внутри клеток
Накопители К-40 в организме человека:
Эритроциты>нервная ткань (головной
мозг)> мышцы> печень> легкие> кости
К-40 быстро выводится из организма (в
три раза медленнее, чем вода). За 58
суток выводится половина К-40.
растения
человек
животные
Космическое излучение





Поток солнечных и галактических (93%) частиц высоких энергий:
протонов и протонно-нейтронных обломков ядер с атомными
номерами 3-5, 10-19, 20
Галактические частицы – в основном протоны с энергией 1001014 МэВ
Энергия солнечных частиц – 20 МэВ
Защита: 1) магнитное поле Земли – отклонение протонов, 2)
озоновый слой (20 км над у.м.) – космическое излучение, за
исключением нейтрино, преобразуется в фотонное
Защита ослабевает по направлению от экватора к полюсам
Нейтрино – слабо взаимодействующие частицы, почти без
массы – могут образовываться в ядерных реакциях. Не наносят
вреда живым организмам на земле. Каждую секунду через
площадку на Земле в 1 см² проходит около 6×1010 нейтрино,
испущенных Солнцем.
http://hypertextbook.com/physics/modern/radiobiology/
см.таблицу вклада естественных источников в дозу человека в
Пивоваров, Михалев, 2004, с 14-15
Радионуклиды, образующиеся в верхних слоях
атмосферы (космогенные)
под воздействием потока нейтронов космического
происхождения
на ядра стабильных атомов (см предыдущую лекцию)


n + 14N  3H+12C
n + 14N  p +14C
Наибольший вклад в
дозу человека вносят
изотопы:
3H, 7Be, 14C, 22Na
Тритий (3Н)






сверхтяжелый радиоактивный изотоп
водорода
включается в те же биологические звенья,
что и водород,
Т ½ = 12,35 года, бета –излучатель,
Общее количество в биосфере (93-185)*1016
Бк, из них 65% в океане,
В продуктах питания – 14-26 Бк/кг
в организме распределяется равномерно
Углерод -14 (14С)
(всего существует 5 радиоактивных и два стабильных изотопа С)







Т ½ = 5730 лет, бета –излучатель,
Расчетное суммарное количество в биосфере
8,5*1018 Бк, из них 1,6% - в атмосфере; 4% - в
почвах; 2,2% в верхних слоях океана, 92% - в
глубинных.
В организм поступает с пищей и водой (99%)
Биогенный элемент
Сродство к жировым тканям
равномерно распределяется в организме
получается при взаимодействии медленных
нейтронов с азотом атмосферы (см.предыдущую
лекцию)
Антропогенный радиационный фон
Пути формирования:
 Искусственная концентрация и перераспределение
естественных радионуклидов
 Загрязнение окружающей среды радиоактивными
изотопами ядерно-энергетического происхождения
 Производство и использование искусственных
радионуклидов и источников ионизирующих излучений в
науке, медицине, промышленности
Искусственная концентрация и
перераспределение естественных
радионуклидов
Добыча и сжигание топлив, переработка руд,
производство строительных материалов.
Сжигание многозольного угля приводит к концентрации и
выбросу в атмосферу К-40, U-238, Th-232 (ежегодное
увеличение фона на 0,02%)
Сжигание жидких углеводородных топлив (в двигателях
внутреннего сгорания) приводит к выбросу и включению в
состав аэрозолей воздуха С-14 и К-40
Состав шлаков и аэрозолей, образованных в результате
металлургического производства сходен с составом
сжигаемых топлив

Применение фосфатных удобрений
В фосфорных удобрениях содержатся :
U-238 до 2,34 Бк/кг (40,3%)
Ra-226 – до 0,85 Бк/кг
Pb – 210 – до 0,39 Бк/кг
Ро-210 – до 0,92 Бк/кг
Th-232 – до 0,052 Бк/кг
К-40 – до 1,22 Бк/кг (21%)
Радионуклиды ядерно-энергетического
происхождения
1.Испытания ядерного оружия ( в основном в
Северном полушарии планеты)
С 1945 по 1991 г общее число взрывов на планете – 2059
Из них 508 в атмосфере
США – 1085 наземных и 205 в атмосфере
СССР – 715 и 215
Франция – 137 и 45
Великобритания – 21 и 21
Китай – 13 и 22
Последствия –
рассеивание радиоактивных осадков
Распределение мирных
ядерных взрывов на
территории СССР. (см.
Старков, Мигунов, 2003)
Рис. Рассеивание радионуклидов в
Северном полушарии планеты
2. Ядерные реакторы
энергетического назначения (АЭС)
Всего на планете 500 АЭС, из них 163 в странах Западной Европы, 121 - в США,
45 - в России
вырабатывают электроэнергии (данные на 2001 год):
 17% в мире
 30% в Западной Европе
 более 50% в Литве, Франции, Бельгии, Словакии.
При работе ядерных реакторов образуются более 40 новых для биосферы
элементов Периодической системы (техногенных).
Выбросы: газо-аэрозольные, жидкие и твердые, требующие захоронения –
проблема не решена
При безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступает
радиоактивный газ криптон (Kr-85), небольшое количество I-131, трития и
некоторых других радионуклидов.
Состав радиоактивных загрязнений (основной):
Cs-137 (30 лет); Sr-90 (27,7 лет); Pu-239, 240 (8,9*106 лет)
Накапливаются в экосистемах
Цезий-137








Cs-137 - техногенный радионуклид, гамма- и бетаизлучатель
Т1/2=33 года
Стабильный изотоп Cs-133, содержание
незначительно;
Образуется при делении ядер урана, плутония в
ядерных реакторах , при ядерных взрывах
По химическим свойствам близок к калию
В живых организмах полностью включается в
метаболизм, конкурируя с калием ??
Скорость миграции в организме в 25 раз меньше, чем
уК
Накапливается в мягких тканях и селезенке, легко
выводится из организма
Стронций-90








Sr-90 - техногенный радионуклид, бета-излучатель,
содержание стабильного изотопа незначительно;
Т1/2=28 лет
Образуется при делении ядер урана, плутония в
ядерных реакторах , при ядерных взрывах
Естественный химический аналог - Са - ??
В живых организмах может замещать кальций,
Накапливается в костной ткани, выводится из
организма плохо
В природе присутствует в тех же звеньях, что и Cs-137
Плутоний – 239
Всего известно 15 изотопов плутония, все
радиоактивны.







Т1/2=24 000 лет
Pu-239 – альфа-, гамма – излучатель
Техногенный элемент, получают в ядерных реакторах
Характер миграции в природной среде мало исследован
Ядерное топливо
Накопление в организме сходно с накоплением тория
в природе (в урановых рудах) существует естественный
радиоизотоп плутоний-244, Т1/2=7.5*107
Токсичность плутония

Плутоний химически токсичен, как и любой тяжелый металл,
этот эффект выражается слабо по сравнению с его
радиационной токсичностью.

Токсические свойства плутония появляются как следствие
альфа-радиоактивности. Альфа частицы представляют
серьезную опасность только в том случае, если их источник
находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь).
Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые
могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал,
чтобы причинить сильный вред.
Альфа-частицы повреждают только ткани, содержащие
плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с
ним.
Источник: http://www.nuclear-weapons.nm.ru/theory/plutonium.htm
Токсичность плутония



Значимы два типа действия: острое и хроническое
отравления. Если уровень облучения достаточно высок,
ткани могут страдать острым отравлением, токсическое
действие проявляется быстро. Если уровень низок,
создается накопляющийся канцерогенный эффект.
Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным
трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли,
впоследствии она все равно связывается содержимым
желудка и кишечника.
Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к
осаждению из водных растворов и к формированию
нерастворимых комплексов с остальными веществами,
имеет тенденцию к самоочищению.
Источник: http://www.nuclear-weapons.nm.ru/theory/plutonium.htm
Токсичность актиноидов для
бактерий (2005)
Ruggiero CE, Boukhalfa H, Forsythe JH, Lack JG,
Hersman LE, Neu MP. Actinide and metal toxicity to
prospective bioremediation bacteria. Environ Microbiol.
2005 Jan;7(1):88-97. Links
Вывод: токсичность актиноидов является
главным образом химической, а не
радиологической. Плутоний менее
токсичен, чем уран.
Нептуний – Np-212-235,
америций – Am-237-242, кюрий – Cm-238-250






Трансурановые элементы, техногенные
Стабильных изотопов нет
Альфа-, бета-, гамма- излучатели.
Побочные продукты при получении плутония, образуются в
ядерных реакторах и при детонации ядерного оружия
Характер миграции в природной среде мало исследован
Америций более подвижен благодаря лучшей
растворимости в воде
Йод – J-129(131)








Стабильный изотоп I-127
всего существует три радиоактивных изотопа J-131, J-133, J-135
изотопы бетта- и гамма-излучатели
наиболее опасен иод-131, бета- и гамма-излучатель (в первые
часы после взрыва создает 40-50% суммарной активности), I-131
– 8,06 сут
I-129 образуется в литосфере при спонтанном делении урана,
Т=1,57 *107 лет;
Биологически активен, необходим для синтеза гормонов
щитовидной железы,
Основной источник – ядерные взрывы, аварии на реакторах
Активно мигрирует по биологическим цепям
Судьба техногенных радионуклидов
в экосистеме
Механизмы накопления
Изотопный
Аналоговый (K-Cs, Ca-Sr, Fe-Pu и др.)
 Миграция
Биогеохимические циклы
Трофические цепи

Биокинетика техногенных радионуклидов
микроорганизмами
Транспорт металлов в клетке контролируется
метаболически
В 1990-х (1996 – L.Kochian – pers.comm) гг выделены гены, отвечающие за
транспорт металлов в дрожжах
Семейства белков-переносчиков [Сhrispeels et al., 1999; Grotz, Guerinot, 2006 ]
ZIP (известно белее 100 белков на всех филогенетических уровнях) – отвечают за
транспорт железа, цинка через плазм. Мембрану и тонопласт;
Nramp – широкая специализация транспорта
CDF (Cation Diffusion Facilitator) найдены в бактериях, грибах, растениях, животных –
отвечают за транспорт металлов из цитоплазмы в органеллы и вывод во внеклеточную
среду.
HMA (Heavy metal ATPase) – отвечают за гомеостаз Zn и специфический транспорт
Cd
IRT (Iron Regulated Transporter) – белки - принадлежат семейству ZIP и отвечают за
транспорт железа
YSL – Fe-фитосидерофоры
И т.д.
Сhrispeels et al., The Plant Cell, Vol. 11: 661-675, 1999
Grotz, Guerinot, Biochimica et Biophys Acta 1763: 595-608, 2006
Поступление металлов в клетку

Проникновения ионов металлов через клеточную
мембрану возможно только через специальные белки
(канальные белки, котранспортеры, АТФ-насосы)

Неэссенциальные металлы/металлоиды проникают в
клетку через «чужие» транспортеры
Cd2+ поступает в клетку через транспортеры Zn2+,
Fe2+, и Ca2+

[Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and
mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): 1707-19]
Биомолекулы – лиганды, которые
участвуют в связывании, переносе и
хранении накопленных металлов в
растениях




Citrate
Histidine
Phytosiderophores
фитохелатины
Callahan DL, Baker AJ, Kolev SD, Wedd AG. Metal ion ligands in
hyperaccumulating plants J Biol Inorg Chem. 2006 Jan;11(1):212.
Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure
and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): 170719
Что такое сидерофоры
Cидерофоры – специально синтезируемые при дефиците железа
и выделяемые многими микроорганизмами [Braun, 1997; Sigel,
Sigel., 1998] сравнительно низкомолекулярные вещества, которые
специфически хелатируют железо(III) с образованием прочных
комплексов с константами устойчивости порядка 1023–1035 [Braun,
1997], повышая его биодоступность (растения либо выделяют
аналогичные вещества – фитосидерофоры, либо используют для
усвоения железа экзогенные сидерофоры микроорганизмов)
[Камнев, Перфильев, 2000].
Сидерофоры – низкомолекулярные, прочные, металхелатирующие агенты, продуцируемые большинством микробов и
растениями для связывания и доставки железа в клетку по
системам активного транспорта [ARQ]
Фитосидерофоры – семейство небелковых аминокислот [ARQ]
Известные фитосидерофоры
Семейство фитосидерофоров мугиеновой кислоты, никотинамин
– предшественник синтеза ФС, EDTA, укс.кислота
Большинство генов, вовлеченных в биосинтез фитосидерофоров уже
клонированы [Curie C., Briat J-F. Iron transport and signaling in plants. Annu.
Rev. Plant Biol. 2003, 54: 183-206]
Сидерофоры могут образовывать
комплексы и с другими металлами
Murakami et al., Chem Letters, 1989, 2137; Von Wiren et al., Plant Physiol. 1999, 119, 1107;
Hiridate & Inoue, Soil Sci. Am. J. 1998, 62,159; Mino et al., Inorg Chem. 1981. 20, 3440
Плутоний в окружающей среде



Считается, что плутоний в окружающей среде
существует преимущественно в виде слабо
растворимых и/или прочно сорбированных Pu(IV)
гидроксидов или оксидов и, таким образом, риск
того, что он станет мобильным или биодоступным
очень мал.
Компоненты, которые растворяют плутоний или
изменяют его заряд могут значительно увеличить
его биодоступность и мобильность.
Pu(IV) считается химическим аналогом Fe(III)
Микробные сидерофоры влияют на
растворимость плутония

Microbial siderophore influence on plutonium
biogeochemistry
Neu, M.P. / Boukhalfa, H. / Ruggiero, C.E. / Lack,
J.G. / Hersman, L.E. / Reilly, S.D. , Journal of
Inorganic Biochemistry, 96 (1), p.69-69, Jul 2003
Связывание Pu(IV) сидерофорами
Сидерофоры могут трансформировать
плутоний из различных растворов и твердого
состояния в растворимые комплексы
плутоний-сидерофор (см. рис.)
были аналогичные исследования для U (VI)
Другой вид той же структуры Pu(IV)-DFE
docked into FhuD from E. coli.
Растворимый комплекс плутонийсидерофор [Pu(IV)
(Desferrioxamine E)(H2O)3]+ из
E.coli [ARQ, 2003]
Модель исходит из гипотезы, что Pusiderophores могут занимать то же самое
место, что и Fe-siderophores (Fe(III)DFOB), не смотря на координационные
различия
Микробная трансформация плутония
(A.J.Francis) – ARQ, 2006
Бактерии (почвенные) увеличивают
растворимость Pu(IV) изменяя рН и, возможно,
посредством секреции органических кислот
(цитрата, ацетата, бутирата)
Clostridium уменьшает рН и Eh среды и
приводит к окислению плутония в более мобильную
форму Pu(IV)  Pu(III)
Pseudomonas в результате метаболизма
изменяется стабильность наиболее устойчивого в
растворе комплекса плутония с цитратом и
образуется новый комплекс плутоний-бицитрат.
Clostridium sp.
Pseudomonas
fluorescens
Biotic and abiotic redox transformations
of soil plutonium.
комплекс
плутоний –
бицитрат
Процесс фиторемедиации плутония
(плюсы и минусы использования
сидерофоров) [ARQ, 2003]
Применение радиоизотопов











Дефектоскопия (кобальт-60, цезий-137) - эффективность ослабления
радиоактивных частиц и гамма-квантов -проверка качества швов
трубопроводов, дефекты стен
измерительные приборы - определения толщины, уровня воды, скорости
движения жидкости по трубопроводу
пожарная сигнализация (америций-241)
химическая промышленность (ускорения химических реакций) получение полимеров, стабилизация крекинга нефти
селекция (радиационные мутации)
стерилизация для увеличения срока хранения продуктов
борьба с насекомыми-сельхоз. вредителями (стерилизация насекомых)
применение меченых веществ в научных исследованиях
наблюдение за метаболизмом с помощью меченых атомов (К-40, Na-24,
Р-32, Fe-59, J-131)
лечение раковых заболеваний
геологическая разведка месторождений