Проблеми с водата - част 5 /продължение/

Радиологични показатели

Въздействието на йонизиращата радиация върху човека е обусловено както от естествени, така и от изкуствени източници на излъчване. По данни на Научния Комитет на ООН за въздействието на атомната радиация (UN Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation – UNSCEAR), повече от 98 % от дозата радиация, получавана от населението, е обусловена от природни източници и само неголям дял от дозата е за сметка на атомната енергетика, изпитанията на ядрено оръжие и други изкуствени източници.

Дозата облъчване, получавана от човека (тук и по-нататък под доза ще разбираме ефективната приравнена доза), се състои от две части - тъй нареченото външно облъчване (за сметка на източници на йонизиращо излъчване, намиращи се извън тялото на човека) и вътрешно облъчване (за сметка на радионуклидите, с други думи - радиоактивните изотопи, намиращи се в тялото на човека). При това вътрешното облъчване «осигурява» около 65 % от цялата доза.

Единици за измерване на радиологичните показатели

Радиоактивност. Активността на радионуклида в източника пределя радиоактивността (мощността на източника на радиация). Активността е равна на отношението на числото на самопроизволните ядрени превръщания в източника за малък интервал от време към стойността на този интервал. В системата Си се измерва в бекерели (Бк, Bq), като 1 Бекерел се равнява на 1 разпад в секунда. Радиоактивното съдържание  във веществото често се измерва към единица тегло на веществото (Бк/кг) или към единица обем (Бк/л, Бк/куб.м). Съществува и извънсистемна мерна единица - Кюри (Ки, Ci), съответстваща на активността на 1 г радий. Съотношението между мерните единици е приведено в таблицата по-долу.

Приравнената ефективна доза характеризира величината на ефективната еквивалентна доза на облъчване, получавана от човека за определен интервал от време. На свой ред понятието ефективна еквивалентна доза е въведено в терминологията на радиационната безопасност за интегрирана оценка на възможната вреда върху здравето на човека в условията на хронично облъчване, вземайки предвид различния характер на влиянието на облъчването върху различните органи. Мерна единица за еквивалентната доза на облъчване е джаул на килограм. В системата Си тази единица има специално наименование - сиверт (Св, Sv), наречена в чест на шведския медицински физик Ролф Сиверт. Използва се също и извънсистемната единица бер от «Биологичен еквивалент на рентгена» (Rem от Roentgen Equivalent of Man). Съотношението е приведено в таблицата по-долу. Съответно еквивалентната ефективна доза се измерва в сиверти (милисиверти) на година.

Таблица за съотношението на мерните единици.

По данни на Светованата Здравна Организация (WHO) средно-статистическата доза на облъчване, получавана от човек за сметка на всички естествени източници (както външни, така и вътрешни), съставлява 2,4 мСв/год. Безусловно това е усреднена цифра, която може силно да варира в различните региони, в зависимост от редица фактори. Към числото на такива фактори се отнасят, например, надморската височина, географската ширина и дължина (фактори, влияещи на размера на дозата от космическо лъчене), характера на радионуклиди в почвата и скалните породи, а също и количеството на радионуклиди, попадащи в човешкия организъм от въздуха, храната и водата. Последните предизвикват вътрешното облъчване.

Основни източници на радиоактивните елементи, попадащи в организма на човека, са вдишваният въздух (газът радон обуславя 75 % от цялото вътрешно облъчване) и храната. «Приносът» на питейната вода в общата доза на облъчване е неголям, тъй като естествените радиоактивни изотопи (продуктите на разпад на урана и тория) се срещат в нея в незначителни количества. Въпреки това СЗО е определила ред показатели за радиологичното качество на водата, които са ориентир за страните при приемането на национални норми (като използват и свои допълнителни показатели). Тези показатели са представени в таблицата по-долу.

Обръщаме внимание, че в таблицата са представени значения, регламентиращи радиологичните качества само на водата. За общата радиация съществуват други норми.

1. При превишаване на тези стойности се провежда подробен поелементен радиохимичен анализ.
2. Преизчислено от pCi/l (пико-Кюри на литър) в Бк/л (Бекерел на литър). Съгласно нормите на САЩ пределният показател за обща α- радиоактивност е 15 pCi/l, а за радий-226 и радий-228 сумарно - 5 pCi/l.
3. Преизчислено от mRem/year. В нормите на USEPA се има предвид не общата доза, а само сумарно от източници на β-частици и фотони. Показана е в тази графа, поради физичната си същност (т.е. доза, а не радиоактивност), което е видно от мерните единици.
4. Индикативен параметър, съгласно Директива на ЕС «за качеството на питейната вода ...» 98/93/EC от 1998 г. Не включва тритий, калий-40, радон и продуктите на разпад на радона.
5. Индикативен параметър, съгласно Директива на ЕС «за качеството на питейната вода ...» 98/93/EC от 1998 г.
6. Този норматив на USEPA е влязъл в сила от 8 декември 2003 г., согласно последните изменения към националния стандарт за качеството на водата по отношение на радионуклидите в САЩ (National Primary Drinking Water Regulations; Radionuclides; Final Rule). 

Радон и радиоактивност на водата

Установено е, че основният радиационен фон на планетата (поне за сега) съществува за сметка на естествените източници на лъчение. Някои учени смятат, че дялът на естествените радиационни източници в сумарната доза, натрупвана от средностатистическия човек за цял живот, представлява 87 %. Останалите 13 % се отнасят за сметка на източници, създадени от човека. От тях 11,5 %  (или почти 88,5 % от «изкуствената» съставляваща на дозата облъчване) се формират за сметка на използването на радиоизотопи в медицинската практика. И само оставащите 1,5 % са резултат от последствията от ядрени взривове, изхвърлянията от ядрени електростанции, утечките от хранилища на ядрени отпадъци и т.н.

Сред естествените източници на радиация «палмата на първенството» уверено се държи от радона, обуславящ до 32 % от общата радиационна доза.

Какво представлява радонът? Това е радиоактивен природен газ, абсолютно прозрачен, нямащ нито вкус, нито миризма. Газообразният радионуклид радон-222 (заедно с йода-131, тритния (3Н) и въглерода-14) не може да се установи със стандартни методи. При наличието на обосновано подозрение за наличието на гореспоменатите радионуклиди, в частност на радон, е необходимо да се използва специално оборудване.

В какво се състои опасността от радона? Тъй като е газ, той попада в човешкия организм посредством дишането и може да предизвика пагубни за
здравето последствия, преди всичко - рак на белите дробове. По данни на Службата по Обществено Здраве на САЩ (US Public Health Service) радонът е втората по сериозност причина за възникване на рак на белите дробове след тютюнопушенето.

Радонът се образува в недрата на Земята в резултат на разпада на урана, който, макар и в незначителни количества, влиза в състава на проктически всички видове скални маси. В процеса на радиоактивния разпад уранът се превръща в радий-226, от който, на свой ред, се образува радон-222. Особено високо е съдържанието на уран в гранитните скали. Съответно в районите, в които гранитните скали приобладават, може да се очаква повишено съдържание на радон.

Радонът постепенно се просмуква от недрата към повърхността, където веднага се разсейва във въздуха, в резултат на което неговата концентрация остава минимална и не представлява опасност. Проблеми възникват в случаите, когато отсъства достатъчен въздухообмен, например, в домовете и други помещения. В такива случаи съдържанието на радон в затвореното помещение може да достигне опасни концентрации. Тъй като радонът попада в сградите от земята, тто на Запад при строителството на фундаменти в «радоноопасните» райони широко се използват специални защитни мембрани, които възпрепятстват просмукването на радон. Но и използването на такива мембрани не дава стопроцентна защита. В случаите, когато домовете се снабдяват с вода от кладенци, радон може да се натрупва в значителни количества в кухните и баните. Работата е там, че радонът много добре се разтваря във водата и при контакта на подземните води с радон, те бързо се насищат с него. В САЩ нивото на съдържание на радон във грунтовите води се колебае от 10 до 100 бекерела на литър, като в отделни райони може да достига стотици и хиляди Бк/л.

Разтвореният във водата радон действа двуяко. От една страна той попада заедно с водата в храносмилателната система на човека, а от друга, той се вдишва, когато се отделя от водата при нейното използване. Работата е там, че в момента, в който водата изтича от крана, радонът се отделя от нея, в резултат на което концентрацията на радон в кухнята или банята може 30 - 40 пъти да превиши концентрацията му в другите помещения. Вторият (инхалационен) способ на въздействие на радона се счита за по-опасен за здравето.

Агенциятя за Охрана на Околната Среда на САЩ (USEPA) препоръчва пределно съдържание на радон във водата 300 pCi/l (което се равнява на 11,1 Бк/л), което обаче не намира засега отражение в американския национален стандарт за качеството на водата (този параметър не се нормира). В наскоро публикуваните руски Норми за Радиационна Безопасност (НРБ-99) пределното ниво на съдържание на радон във водата, при което се изисква намеса, е 60 Бк/кг.

Възможно ли е да се противодейства на радона във водата? Да, и достатъчно ефективно. Един от най-резултатните методи на борба с радона е аерирането на водата (пропускането на мехурчета въздух през водата, при което практически всичкият радон буквално се «изветрява»). За това тези, които използват вода от градската водоснабдителна мрежа практически няма за какво да се безпокоят, тъй като аерирането е стандартна процедура при водоподготовката в градските пречиствателни станции. За потребителите на кладенчева вода изследванията, проведени от USEPA, показват достатъчно високата ефективност на филтрирането с активен въглен. Филтрите с качествен активен въглен са способни да премахнат до 99,7 % от радона. Вярно е обаче, че с времето този паказател пада до 79 %. С използването пред филтъра с активен въглен на омекотител с йоннообменни смоли позволява да се повиши последният показател да 85 %.

Тритий

Тритият е радиоактивен изотоп на водорода (водород-3, 3H) с атомна маса 3 (один протон, два неутрона). Периодът на полуразпад на трития е равен на 12,34 години. При разпад тритият се превръща в хелий, като отделя интензивно бета-излъчване. Енергията на неговите бета-частици е относително малка, поради което извън организма (при вънщно облъчване) тритият не представлява сериозна заплаха.

При вътрешно облъчване (при попадане в човешкия организъм с въздуха или водата), тритият може да бъде сериозна заплаха за здравето. Като изотоп на водорода, тритият се държи химически като водорода, и за това е способен да го замества във всички съединениа с кислорода, сярата, азота, прониквайки лесно в протоплазмата на всяка клетка. В този случай изпусканото от трития бета-излъчване е способно сериозно да повреди генетичния апарат на клетките.

Изследвания, посветени на поведението на трития в биологичните обекти, свидетелстват за неговата способност да се натрупва в гломи количества в живите организми и по хранителната верига.

За щастие в естествените земни екосистеми (с изключение недрата на планетата) тритият почти напълно отсъства - нищожни количества се образуват единствено при взаимодействието на космичното излъчване с газовете от атмосферата. По цялата Земя едва ли може да се намери повече от 1 кг естествен тритий. Но в последните години в основен иззточник на тритий се превръщат атомните електоцентрали. Тритият е основен радиоактивен компонент в течните и гозообразните изпускания на болшинството атомни електростанции, тъй като практически не се поддава на филтриране. Това води до заразяване на почвата, подпочвените и повърхностните води около АЕЦ. Отдавна е показано с фатически данни, че в околностите на някои американски електроцентрали съдържанието на тритий в листата на дърветата от наветрената страна е 10 и повече пъти по-голямо, отколкото в подветрената. Това е пряко доказателство, че именно АЕЦ са източника на тритий.

Тези и някои други специфични особености позволяват тритият да бъде отнесен към числото на най-радиационноопасните дългоживеещи нуклиди, които са способни да заразят биосферата не само в районите непосредствено разположиени до източника, но и в регионален и глобален мащаб. Очевидно тези съображения са довели до включването на трития в списъка на контролираните радиологични параметри в новата Директива на ЕС за качеството на питейната вода.

Радий

Радият (Ra) е елемент от втората група на периодичната система на Д.И.Менделеев, групата на алкалоземните метали. Притежава атомен номер 88 и атомна маса 226,0254. Радиоактивен е, което намира отражение в неговото название. Латинското название на радия - Radium произхожда от друга латинска дума radius, която означава «лъчист». Най-устойчивият изотоп е радий-226 (226Ra), образуващ се при разпада на урана. Периодът на полуразпад на радий-226 е 1600 години, в процеса на разпада се образува радиоактивен газ радон. В природата радият се среща в урановите руди, при което, като правило, наред с изотоп 226Ra се среща и изотоп радий-228 (228Ra).

Радият преминава в природните води за сметка на процеса на адсорбционен обмен, дифузно алкализиране на скалните маси и почвите и чрез извличане от някои растителни отпадъци (някои растения са способни да натрупват радий в големи количества). Съдържанието на радий във водите се колебае от 10^–14 до 10^–8 г/л, най-високи концентрации се откриват във водите до уранови залежи.

Изотопът радий-228 е доста мощен природен източник на бета-излъчване. На свой ред изотопът радий-226 е източник на алфа-излъчване и се счита за потенциално опасен за костната тъкан на човека.

Въпреки че изотопът на радия се среща във водата в незначителни количества, гореспоменатите причини са довели до установяването на норма от Агенцията за Опазване на Околната среда на САЩ (USEPA) за сумарното съдържание във водата на радий-228 и радий-226 - 5 пКи/л (пикокюри на литър), което съответства на 0,185 Бк/л. Такова ниво на активност на радионуклида примерно съответства на концентрация във водата от 4,5×10^–11 г/л.

В новите руски Норми за Радиационна Безопасност (НРБ-99) са определени следните ограничения относно съдържанието на радий във водата:

Обща α-радиоактивност

α (Alfa) – радиоактивността (алфа-излъчването) е поток от алфа-частици, изпускани при радиоактивния разпад на елементите по-тежки от оловото или образуващи се в хода на ядрените реакции. Алфа-частицата фактически е ядро на хелия, състоящо се от два протона и два неутрона, има статичен електрически заряд равен на +2, масово число равно на 4.

Алфа-излъчването притежава малка проникваща способност (само няколко сантиметра във въздуха и десети от микрона в биологична тъкан). Потокът от алфа-частици може лесно да бъде спрян даже с лист хартия. Поради това дори притежаващите най-много енергия алфа-частици не са в състояние да проникнат през загрубелия повърхностен слой от клетки на кожата. Алфа-излъчването е много по-опасно, когато източникът на алфа-частици се намира вътре в организма.

В таблицата са приведени основните алфа-излъчватели и съответните ефективни дози, които може да получи човек за една година, ако употребява вода, съдържаща някой от тези алфа-радионуклиди с ниво на радиоактивност 0,1 Бк/л.

Алфа-излъчватели

Обща β-радиоактивност

β (Beta) – радиоактивността (бета-излъчването) е поток от частици с маса равна на 1/1837 от масата на протона, които се образуват при бета-разпада на различни елементи от най-лекия (неутрон) до най-тежкия (радий-228).

Отрицателно заредената бета-частица фактически е електрон, а положително заредената - позитрон. Бета-излъчването притежава по-голяма проникваща способност в сравнение с алфа-излъчването, но въпреки това може да бъде блокирано със сравнително тънък (няколко сантиметра) метален или пластмасов слой. Бета-излъчването може да причини изгаряния на кожата и е много опасно, ако източникът на бета-частици е попаднал вътре в организма на човека.

По-долу са приведени основните бета-излъчватели и съответните ефективни дози, които може да получи човек за една година, ако употребява вода, съдържаща някой от тези бета-радионуклиди с ниво на радиоактивност 0,1 Бк/л. От таблицата се вижда, че само за олово-210 и радий-228 при тяхно съдържание във водата с ниво на бета-радиоактивнот 1,0 Бк/л съществено ще бъде превишена считаната за безопасна доза от 0,1 милисиверта (мСв) за 1 година. Съдържанието на тези радионуклиди във водата обаче не е голямо. Освен това повишената концентрация на посочените изотопи, като правило, е свързана с високи нива на съдържание и на други радионуклиди. Това с голяма вероятност води до превишаване на установените нормативи и прави необходим анализа на водата за съдържание на конкретните радионуклиди.

Изхождайки от тези факти, Световната Здравна Организация (WHO) препоръчва стойността от 1,0 Бк/л за пределна стойност на общата бета-радиоактивност за целите на рутинния контрол на радиологичната безопасност на водата. В нормите на USEPA общата бета-радиоактивонст се определя не чрез активността на радионуклида (в Бк/л), а чрез приравнената ефективна доза на облъчване (в мСв/година) с бета-частици и фотони. Тъй като коефицентите за преизчисляване на дозата (Св/Бк) за различните радионуклиди са различни и наличието на един или друг изотоп във водата е трудно прогнозируемо, ние считаме за некоректно да преизчисляваме този параметър в единици радиоактивност. И поради тази причина този параметър е преместен в раздела «Приравнена ефективна доза».

Бета-излъчватели

Приравнена ефективна доза на излъчване

Различните типове радиация имат нееднакво биологично въздействие, а различните органи на човешкото тяло притежават различна чувствителност към радиацията. Поради това Международната Комисия по Радиационна Защита - МКРЗ (International Commission on Radiological Protection) е въвела коефиценти на излъчване и среднопретеглени коефиценти за различните тъкани за съпоставимо измерване на ефекта. Мярката за общата потенциална вреда за организма от облъчването се нарича ефективна доза.

В случая с водата е важно количеството нуклиди, които попадат с нея в човека. Много радионуклиди могат да се натрупват в организма и да остават там в течение на много месеци и даже години, оказвайки през цялото това време негативно влияние върху организма.

За определяне на това въздействие е въведено понятието приравнена ефективна доза, с което оперира Световната Здравна Организация (WHO). СЗО не определя пряко конкретна стойност на приравнената ефективна доза за водата (както това прови ЕС). Но във всички свои разчети и препоръки СЗО широко използва стойността 0,1 мСв/година (0,1 милисиверта или 100 микросивертов за година). Тоест, ако водата удовлетворява нормите за радиологична безопасност, то при нейното ежедневно потребление в количество 2 литра на ден, дозата на объчване, която при това ще получи човек за една година, няма да превиши 0,1 мСв и тази ежегодна доза може да се счита за безопасна през цялата продължителност на живота на човека.

Много или малко е 0,1 мСв за година? Математически това е по-малко от 5 % от общата годишна доза, получавана от човека от външни и вътрешни източници на облъчване. За сравнение могат да се приведат следните цифри. Човек, летящ със самолет на височина 8 хиляди метра, получава допълнително облъчване (за сметка на увеличеното облъчване с космическа радиация) средно около 2 мкСв/час. Тоест, човек, пътуващ от Русия до САЩ и обратно, ще получи допълнителна доза не по-малка от 40 мкСв (възможно и повече, тъй като самолетите летят и по-високо от 8 хиляди метра). А това е почти половината от дозата, която този човек може да получи с водата за година (ако разбира се водата съответства на нормите). Ще кажем също за сравнение, че средната ефективна доза, получавана от средностатистическия човек от всички източници на облъчване в медицината в промишлино развитите страни, е 1 мСв за година, т.е. 10 пъти повече, отколкото от водата.

От всичко до тук следва, че съблюдаването на радиологичните параметри на водата е един от главните фактори за съхраняване здравето на човека, и ето защо на този проблем се отделя все по-голямо внимание във целия цивилизован свят.

Относно методите за борба с радионуклидите във водата, наред с активния въглен и йоннообменните омекотители, упоменати в раздела за радона, най-ефективни за подготовка на питейната вода са системите, построени на принципа на обратната осмоза.