Вплив радіоактивних речовин на рослини

Вплив радіоактивних  речовин на рослини

 Радіоактивні речовини  надходять у рослини двома  основними шляхами: забруднення  рослин радіоактивними речовинами, які осідають із атмосфери  безпосередньо на рослини і  засвоєння рослинами радіонуклідів  з ґрунту. У вегетаційний період  забруднення рослин радіонуклідами  може відбуватися одночасно двома шляхами.

Забруднення сільськогосподарських  рослин позакореневим шляхом надходження  обумовлюється природою радіоізотопів, умовами зовнішнього середовища, фізико-хімічними властивостями  радіоактивних речовин і біологічними властивостями рослин.

Рівні радіоактивного забруднення  рослин залежать від концентрації радіонуклідів  в атмосфері та інтенсивності  їх осідання. Значну роль відіграє дисперсність радіоактивних речовин, чим більші частинки, тим менше їх затримується на рослинах. На ступінь фіксації рослинами  радіонуклідів впливають хімічні  властивості. У рослини проникають найбільш рухомі радіонукліди, у першу чергу йод і цезій.

На ступінь радіоактивного забруднення рослин впливають морфологічні особливості. Затримка рослинами радіоактивних  речовин збільшується з ростом і  розвитком вегетативної маси, із горизонтальним розміщенням листя і стебел, наявністю  складок, зморшкуватості, опушеності й  смолистих відкладень.

На рівні радіоактивного забруднення суттєво впливають  умови зовнішнього середовища. Підвищена  вологість повітря збільшує ступінь  затримання на рослинах радіоактивних  речовин, і навпаки, великий дощ змиває їх з рослин.

Зменшення забруднення рослин радіонуклідами з часом зменшується  завдяки дії всіх факторів зовнішнього  середовища: змивання дощем, здування вітром, обтрушування тваринами, опадання з відмерлим старим листям.

Опромінення рослин відбувається радіоактивними речовинами, що знаходяться  на рослинах і на поверхні ґрунту.

Радіаційне ураження рослин в основному відбувається внаслідок  бета-випромінювання. Бета-промені  сильніше поглинаються органами рослин: листям, стеблами, точками росту, генеративними органами і насінням.

У загальній поглинутій рослинами  дозі випромінювання частка бета-випромінювання може в 10—15 разів перевищувати частку гамма-випромінювання залежно від  виду і висоти рослин, тобто доза опромінення, яку одержує, рослина  у 10—15 разів вища експозиційної  дози гамма-випромінювання за дозиметричними приладами.

При ураженні радіоактивними речовинами рослин навесні й влітку в момент їх активного росту вміст  радіонуклідів виявляється найбільш високим у вегетативних органах  — листі та стеблах рослин. Зерно  забруднюється менше і неоднаково у різних культур і сортів: більше у колосових за рахунок безпосереднього  потрапляння на них радіоактивних  речовин, менше — у бобових і кукурудзи.

Променеве ураження у рослин виявляється у гальмуванні й  затримці росту, зниженні урожайності, зменшенні репродуктивних властивостей насіння, бульб і коренеплодів. Знижуються харчові якості врожаю. Важке ураження призводить до повної зупинки росту і загибелі рослин через кілька днів або тижнів після опромінення.

Опромінення рослин може бути зовнішнім, внутрішнім і змішаним. При  зовнішньому опроміненні рослин бета-частинки рівномірно опромінюють  всі органи. Внутрішнє опромінення  рослин відбувається тоді, коли радіоактивні речовини потрапляють у рослини  через кореневу систему і листя. Наявність джерел зовнішнього і внутрішнього випромінювання дає змішане опромінення. Ступінь радіаційного ураження (від ледь помітного пригнічення росту до повної втрати урожаю і навіть загибелі всіх рослин) залежить в основному від таких факторів: одержаної дози опромінення і радіочутливості рослин під час опромінення. Радіочутливість рослин кількісно характеризується величиною дози, яка викликає певний ефект — пригнічення росту, зниження урожайності, часткову або повну загибель. Різні сільськогосподарські культури мають різну радіочутливість.

У табл. 19 наведені летальні дози опромінення сільськогосподарських  культур

Радіочутливість рослин значно залежить від їхньої фази розвитку. Рослини, які формують наземні плоди, найбільш чутливі до опромінення  у фазі закладання і формування репродуктивних органів.

Так, пшениця, жито, ячмінь та інші злакові культури найбільш чутливі  у фазі виходу в трубку (табл. 20), кукурудза  — у фазі викидання волотей, гречка, бобові й насінники дворічних  культур — у ранній фазі бутонізації, картопля і коренеплоди — у  фазі проростків.

Якість насіння найбільше  знижується при опроміненні у  фазі колосіння у зернових і цвітіння — у бобових. У овочевих культур  насінники найбільш радіочутливі у  фазі початку бутонізації. Радіоактивні опади, осідаючи на рослини, не тільки уражують їх, а й забруднюють урожай. Забрудненість урожаю радіоактивними речовинами залежить від таких факторів: щільності осідання радіоактивних речовин; первинного затримання радіоактивних опадів у момент їхнього випадання на поверхні рослин, що залежить від виду рослин, розмірів і розчинності частинок опадів; втрат радіоактивних частинок із забруднених рослин, які обумовлені змиванням частинок з рослин дощами, струшуванням вітром, опаданням відмерлих забруднених частин рослин.

Таблиця 20. Можливі втрати врожаю зерна озимої пшениці, жита і  ячменю залежно від сумарної експозиційної  дози опромінення і фаз розвитку рослин у момент випадання радіоактивних  речовин, %

 

 

Роль лісів  у первинному затриманні радіоактивних  викидів

На етапі первинного випадання  радіонуклідів з атмосфери поле радіоактивного забруднення формується під впливом метеорологічних і ландшафтних факторів. Найбільш значущими з ландшафтних факторів є: рельєф земної поверхні, тип рослинності, гідрографічна мережа, що об'єднуються терміном - підстилаюча поверхня. Всі фізичні процеси, що відбуваються в нижніх шарах атмосфери, формуються під впливом підстилаючої поверхні.

Осідання часток аерозолів  на земну поверхню зумовлюється залежно  від їх розміру впливом гравітаційних  сил і турбулентного перемішування повітря. Розміри часток коливаються в досить значних межах - від 0,001 до 800 мкм. Поведінка легких часток малого розміру (до 200 мкм) біля межі поділу атмосфера - земля більшою мірою визначається турбулентною дифузією, тому швидкість їх осідання змінюється залежно від характеру підстилаючої поверхні.

Зі всіх елементів підстилаючої поверхні найбільшою мірою змінюють турбулентну структуру вітру лісові насадження. Трансформація структури потоку полягає в зменшенні вертикальних пульсацій швидкості вітру і в утворенні менших вихорів під впливом лісу.

Впливаючи таким чином  через трансформацію повітряних потоків на осідання аерозольних часток лісові насадження відіграють важливу роль у формуванні полів радіоактивного забруднення. Вони виконують функцію своєрідних фільтрів - накопичувачів радіонуклідів.

 Після аварії на ЧАЕС найбільша щільність радіоактивного забруднення лісових масивів довгоживучими радіонуклідами спостерігається на узліссях з навітряного боку. З підвітряного виявлено протилежну ситуацію. У цілому лісові масиви накопичили приблизно на 30% більше активності, ніж навколишні поля. У період найбільш інтенсивних викидів, коли в довкіллі перебувала велика кількість короткоживучих радіоактивних елементів, роль лісу в перерозподілі радіонуклідів була особливо значною. Про це свідчать виміри потужності експозиційної дози гамма-випромінювання посеред літа 1986 р.

Результати останніх досліджень показують: за високого забруднення спостерігається значна варіабельність щільності забруднення ґрунту в лісових насадженнях навіть у межах одного кварталу й виділу. Таку строкатість забруднення можна пояснити неоднорідністю лісів і їх локального впливу на швидкість повітряного переносу радіонуклідів та інтенсивністю дощів.

Наземна рослинність —  це перший екран, що затримує радіоактивні речовини повітря.

Затримування осідаючих  на рослини твердих аерозолів  і наступні їх втрати залежать від  багатьох факторів:

фітомаси на одиницю площі  поверхні;

форми, розміру і орієнтації листя та інших надземних органів  рослин;

характеристики їх поверхні;

швидкості вітру під час і після випадання часток;

розміру аерозольних часток і кількості випадінь;

відносної вологості під час випадання тощо.

 

Затримування радіоактивних  часток залежить від площі поверхні, здатної збирати частки. Лісові біогеоценози характеризуються найбільшою біомасою на одиницю площі.

Коефіцієнт затримування лісами глобальних випадінь варіював у межах 50-100%, при цьому коефіцієнт затримання вищий в соснових молодняках, нижчий - в середньовікових сосняках, ще нижчий — в листяних насадженнях. У листяних насадженнях після листопаду він знижувався до 20-25%.

Отже, за здатністю затримувати  радіоактивні викиди елементи підстилаючої поверхні утворюють такий ряд: хвойні ліси - листяні ліси - луки і посіви - рілля.

 

Формування радіаційного синдрому у рослин

 

У рослин, як і в тварин, після впливу іонізуючого випромінювання розвивається радіаційний синдром, що на початку зародження має спільні риси з аналогічним у тварин, але в подальшому набуває своєї специфіки.

При рівномірному опроміненні рослини, коли будь-яка її частина одержує однакову дозу радіації, її пошкодження зумовлене радіаційним ушкодженням найбільш радіочутливих тканин. Такі радіо чутливі тканини, ушкодження яких призводить до формування радіаційного синдрому у рослин, називаються критичними. Критичними органами у рослин є всі меристеми: апікальні, латеральні, інтеркалярні. Оскільки всі органи рослини формуються з меристем, то при їх опроміненні спостерігається ушкодження майже всіх органів - як вегетативних, так і генеративних. У цьому полягає специфіка формування радіаційного синдрому у рослин.

Найбільш радіочутливі тканини  за високої мітотичної активності та інтенсивного росту.

Ступінь впливу іонізуючого  випромінювання на рослини визначається потужністю джерела випромінювання, тривалістю його дії на рослини.

Розрізняють гострий та хронічний  вплив іонізуючого випромінювання на рослину.

Під час гострого опромінення організм одержує дозу радіації за порівняно нетривалий час, після чого йому вже не загрожує поява нових радіаційних ушкоджень і розвиток променевого ушкодження відбувається в умовах, сприятливих для розвитку рослини.

Під час хронічного опромінення в клітинах організму постійно виникають променеві пошкодження молекул, створюючи фон безперервного накопичення цих пошкоджень. Оскільки найбільше ушкоджуються точки росту рослини, що перебувають у стані активного поділу, під час гострого опромінення ушкодженими виявляються клітини, що в мить опромінення були на стадії поділу. При хронічному опроміненні меристеми, що поступово розпочинають поділ, зазнають постійної дії радіації.

Відомо, що у рослин виявлено дистанційну дію випромінювання, коли з опроміненої частини організму  в неопромінені переносяться речовини, здатні пошкоджувати меристеми. У зв'язку з цим прямою причиною пошкодження  вегетуючої рослини є втрата меристематичними клітинами, як найбільш радіочутливою  тканиною організму, здатності до поділу.

Різні органи рослин по-різному реагують на опромінення: найчутливіші серед них генеративні, потім - всі органи, що на момент опромінення складаються із меристем, які активно діляться.

При цьому на рівні органів цілої рослини виявляються зміни архітектоніки: змінюється морфологія трахей і трахеїд; у коренів посилюється розгалуження, порушується утворення кореневих волосків. Може змінитись порядок розміщення листків, філотаксис, можуть виникнути фасціації, пухлинні утворення. Іноді змінюється тип галуження. Змінюється форма листка, порядок жилкування; стимулюється утворення калюсу, що призводить до розвитку місцевих розростань (пухлин) або до появи бруньок (часто цілими групами) в незвичних місцях. На місці таких розростань нерідко утворюються корінці. Іноді радіація вповільнює ріст, прискорює процеси цвітіння у рослин.

 

Летальний вилив  іонізуючого випромінювання на рослин

Летальний вплив радіації, що призводить до загибелі рослинних  клітин, може відбуватися двома шляхами: через ушкодження їх генетичного  апарату, що спричиняє репродуктивну  загибель клітин, або за безпосереднього  руйнування клітин. Щоб спричинити загибель клітин безпосередньо, необхідна  доза в 3-4 рази більша, між для того, щоб позбавити її здатності до поділу. Летальний вплив іонізуючої радіації може змінюватись залежно від стану рослини в момент опромінення та від навколишніх умов.

Іонізуюче випромінювання навіть у дуже великих дозах (1000-2000 Гр) не відразу вбиває вегетуючі рослини. Останні довго після опромінення можуть залишатись тургорними, зеленими, навіть здатними накопичувати пластичні речовини, хоча здатність клітин меристеми до поділу в їх меристемах вже повністю і безповоротно втрачена.

У рослин, що одержали дозу, близьку до летальної, згодом можливе відновлення. Разом з тим низькі дози, легко витримувані під час короткочасного опромінення, стають летальними за тривалої дії. Це так званий ефект накопичувальної дії радіації на рослину. Таким чином, загибель рослини після опромінення може реалізуватись як дуже віддалений етап променевого ушкодження.

Вплив іонізуючого  випромінювання на меристеми, стебло, листя, хвою

 

Розглянемо вплив іонізуючого  випромінювання на інші органи й тканини  рослини. Цей вплив залежить від  поглинутої дози. Як було зазначено  вище, хронічне опромінення знижує функції меристематичних тканин. Зі збільшенням поглинутої дози в меристемах можуть спостерігатися клітини збільшених розмірів, як наслідок затримки їх поділу. Це, як правило, призводить до передчасної їх диференціації і прискореного старіння. Повне припинення розвитку і росту листя настає при дозі іонізуючого опромінення близько 90 Гр.