ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 1.1 ΔΙΑΤΡΟΦΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
3 Για να αντιληφθούμε τον τρόπο με τον οποίο τα ραδιενεργά υλικά μεταφέρονται από το έδαφος στα φυτά και με την διατροφή στον άνθρωπο, πρέπει να γνωρίζουμε τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του εδάφους και τους μηχανισμούς βάσει των οποίων μπορούν να εισέλθουν στα τρόφιμα. Τα περισσότερα υλικά της διατροφής μας παράγονται στο άμεσο περιβάλλον και επομένως τα συστατικά τους θα εξαρτώνται από το έδαφος στο οποίο αναπτύσσονται. Μόνο το οξυγόνο, τον άνθρακα και το άζωτο μπορούμε να πάρουμε και από την ατμόσφαιρα μέσου της αναπνοής. Έτσι τα λαχανικά και το κρέας θα περιέχουν εκείνα από τα ραδιενεργά στοιχεία που είναι στο έδαφος, αλλά και στο νερό. Επομένως και στον άνθρωπο ανιχνεύουμε στους ιστούς και στα οστά αντίστοιχα ραδιοϊσότοπα. Στην περίπτωση που έχουμε τεχνητά ραδιοϊσότοπα τα οποία έχουν απορροφηθεί από το έδαφος, τότε με τον ίδιο τρόπο περιμένουμε να τα βρούμε στον κύκλο της διατροφής. Τα φυτά ακολουθώντας τον κύκλο μεταβολισμού τους απορροφούν με τις ρίζες τα ραδιοϊσότοπα από το έδαφος. Τα ζώα και ο άνθρωπος θα δεχθούν μέσα από τα φυτά και το νερό που καταναλώνουν τα ραδιοϊσότοπα, αλλά τα δέχονται και μέσα από την αναπνοή.
4 Αν παρατηρήσουμε μία κάθετη τομή του εδάφους σε θα δούμε ότι ο αποτελείται από διάφορα στρώματα, με διαφορετικά φυσικά χαρακτηριστικά. Το ανώτατο κυρίως στρώμα του εδάφους καθορίζει σε συνδυασμό με τις κλιματολογικές συνθήκες την ανάπτυξη των διαφόρων φυτικών ειδών. Το πάχος αυτού του στρώματος κυμαίνεται μεταξύ 30 και 60 cm. Στο πάχος αυτό της επιφάνειας του εδάφους αναπτύσσονται πολλές μορφές της ζωής. Το δεύτερο στρώμα το οποίο εκτείνεται στο 1 m κάτω από την επιφάνεια αποτελεί το υπέδαφος. Τέλος σε βάθος περίπου 1,5 m εμφανίζεται το στρώμα στο οποίο διακρίνονται θραύσματα των ορυκτών που αποτελούν τα πετρώματα της περιοχής. Η απλή αυτή ταξινόμηση των εδαφών μπορεί να συνεχισθεί με βάση και άλλα χαρακτηριστικά. Τα ανόργανα συστατικά των στρωμάτων μπορούν να είναι άμμος, ιζήματα και άργιλος σε διάφορες εκατοστιαίες αναλογίες, που εξαρτώνται από την περιοχή. Η άμμος είναι κυρίως χαλαζίας και η διάμετρος των κόκκων είναι μεταξύ 50 μm και περίπου 2 mm. Τα ιζήματα αποτελούνται από υλικά που έχουν διάμετρο μεταξύ 2 και 50 μm, ενώ στις αργίλους η διάμετρος των κόκκων είναι μικρότερη από 2 μm.
5 Οι σπουδαιότερες φυσικοχημικές διεργασίες γίνονται σε εδάφη όπου μπορούν να αναπτυχθούν φυτά. Βασικό χαρακτηριστικό των εδαφών αυτών είναι το ph και το είδος των αρνητικών ιόντων. Τα αρνητικά ιόντα παίζουν σημαντικό ρόλο επειδή καθορίζουν το είδος των θετικών μεταλλικών ιόντων και κατά συνέπεια τις ιδιότητες της επιφάνειας του εδάφους. Τα περισσότερα από τα διατροφικά ιόντα δεν είναι διαλυτά στο νερό του εδάφους, αλλά απορροφώνται από τα υλικά του. Με διάφορες επομένως διεργασίες μπορούμε να αντλήσουμε από την «αποθήκη του εδάφους» τα διατροφικά αυτά ιόντα. Από την άλλη πλευρά μπορούμε να πούμε ότι τα ευδιάλυτα ιόντα δεν παραμένουν για πολύ στην επιφάνεια, δεδομένου ότι παρασύρονται από τα νερά της βροχής. Αυτό μπορεί να το διαπιστώσει κανείς στα εδάφη των περιοχών με πολλές βροχοπτώσεις, όπως είναι στις τροπικές ζώνες όπου τα εδάφη τους είναι αρκετά φτωχά σε θρεπτικά μεταλλικά ιόντα. Τα κατιόντα που υπάρχουν στα υδατικά διαλύματα ανταλλάσσονται με τα κατιόντα των αργιλικών στρωμάτων της επιφάνειας του εδάφους. Με την πάροδο του χρόνου αυτά τα εδάφη γίνονται όξινα επειδή έχουμε αντικατάσταση των θετικών ιόντων από ιόντα υδρογόνου.
6 Χαρακτηριστική είναι η γενική αντίδραση: Όξινα εδάφη + ανθρακικά ---------- Ουδέτερα εδάφη Μερικά από τα ιόντα που μπορούν να αντικαταστήσουν τα ιόντα υδρογόνου φαίνονται στις σχηματικές αντιδράσεις:
7 Στο Σχήμα 5.4 δίνεται παραστατικά η πορεία ανταλλαγής των μεταλλικών ιόντων με τα ιόντα υδρογόνου σε μίγμα αργιλικών και ασβεστολιθικών εδαφών. Η δυνατότητα για ένα έδαφος να απορροφήσει τα κατιόντα εκφράζεται ποσοτικά με την χωρητικότητα ανταλλαγής, δηλαδή την ποσότητα των κατιόντων (meq, χιλιοστά ισοδυνάμου) που απαιτείται ώστε να εξουδετερώσει τα αρνητικά ιόντα που υπάρχουν σε 100 gr χώματος ph 7. Σχήμα 5. 4. Παραστατική ανταλλαγή ιόντων στο έδαφος
8 Τα μοντμοριλονιτικά εδάφη έχουν ικανότητα πλήρους ανταλλαγής των ιόντων 100 meq/100 gr, σε αντίθεση με τα πετρώματα τύπου καολίνη έχουν 10 meq/100 gr. Τα αμμώδη εδάφη δεν μπορούν να συγκρατήσουν εύκολα τα ιόντα επειδή είναι ξηρά, δεδομένου ότι δεν συγκρατούν το νερό. Τα ραδιενεργά επομένως στοιχεία, ως χημικά στοιχεία, θα ακολουθήσουν τους φυσικοχημικούς νόμους και ανάλογα το είδος του φυτού και από το βάθος της ρίζας θα απορροφηθούν από τα φυτά. Οι παράμετροι που καθορίζουν τον χρόνο παραμονής του ραδιοϊσοτόπου στο έδαφος και τον τρόπο επιλογής από τα φυτά είναι πολλαπλοί. Ο χημικός δεσμός, η διαλυτότητα ή η συμπλοκοποίηση με οργανικές ενώσεις είναι μερικοί από τους παράγοντες που καθορίζουν την παραμονή ενός ιόντος χημικού στοιχείου ή ραδιοϊσοτόπου. Τα δισθενή γενικά ιόντα συνδέονται περισσότερο έντονα με τα συστατικά του εδάφους σε σχέση με τα μονοσθενή, χωρίς όμως σε κάθε περίπτωση το σθένος να καθορίζει πάντα το αποτέλεσμα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η περίπτωση του στροντίου-90 ( 90 Sr) και του καισίου-137 ( 137 Cs). Το στρόντιο-90 είναι δισθενές στοιχείο, ενώ το καίσιο-137 μονοσθενές. Παρ όλα αυτά το στρόντιο διεισδύει εύκολα στο έδαφος και σε εδάφη φτωχά σε κάλλιο το αντικαθιστά και προσλαμβάνεται εύκολα από τα φυτά.
9 Μελέτες απέδειξαν ότι τα ραδιενεργά υλικά δεν έχουν την ίδια συμπεριφορά στο έδαφος και η απορροφητικότητα του εδάφους είναι διαφορετική για το καθένα. Επίσης παρατηρήθηκε ότι σε εδάφη με μεγάλη ικανότητα ανταλλαγής ιόντων που διαβρέχονται με νερό εδάφους το στρόντιο-90 μετακινείται με ρυθμό 1,1 μέχρι 1,3 cm/ημέρα. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε μετακίνηση του στροντίου σε βάθος μικρότερο από 5 m/έτος. Δεδομένου ότι ο μέσος χρόνος ζωής του στροντίου-90 είναι 40 χρόνια σημαίνε ότι στο διάστημα αυτό το στρόντιο-90 θα μεταναστεύσει σε βάθος 200 m. Σε δέκα χρόνους ημιζωής (280 χρόνια) η ολική ποσότητα του στροντίου-90 θα μειώνεται κατά 10%, που σημαίνει ότι στο διάστημα αυτό θα διανύσει 1400 m βάθος. Άγγλοι ερευνητές με συστηματικές μελέτες για διάφορα εδάφη και διάφορες καλλιέργειες έδειξαν ότι το στρόντιο-90 που παράγεται από τα πυρηνικά όπλα συνδέεται έντονα με τα συστατικά της επιφάνειας του εδάφους και παραμένει σε μερικά εκατοστά βάθους, ενώ τόσο το καίσιο- 137 όσο και το στρόντιο-90 βρίσκονται στην βιομάζα των φύλλων των φυτών σε αρκετά μεγάλες ποσότητες.
10 Με προσεγγιστικούς υπολογισμούς έδειξαν ότι το 50% των ραδιοϊσοτόπων αυτών βρίσκεται στο έδαφος και τα φύλλα των φυτών, ενώ το υπόλοιπο 50% βρίσκεται στον μίσχο των φυτών. Έτσι ο βιολογικός κύκλος του στροντίου-90 και καισίου-137 θα είναι: Έδαφος-φυτά-βιομάζα φυτών-μικροοργανισμοί-έδαφος Αν και όλα τα στοιχεία μπορούμε να πούμε ότι βρίσκονται σε όλα τα εδάφη, όμως μόνον 16 είναι απολύτως απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών. Τα στοιχεία αυτά είναι: ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο, ο φωσφόρος, το θείο, το κάλλιο, το ασβέστιο, το μαγνήσιο, ο σίδηρος, το μαγγάνιο, ο ψευδάργυρος, ο χαλκός, το μολυβδαίνιο, το βόριο και το χλώριο. Όλα τα παραπάνω στοιχεία τα προσλαμβάνουμε από το έδαφος εκτός από τον άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο που προσλαμβάνουμε και από την ατμόσφαιρα. Γενικά, όλα τα ραδιοϊσότοπα εισέρχονται στον βιολογικό κύκλο με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο συμμετέχουν τα μη ραδιενεργά στοιχεία. Μερικά από τα στοιχεία μπορεί να συμμετάσχουν ή να μη συμμετέχουν στον μεταβολισμό των φυτών. Έτσι το ιώδιο, το κοβάλτιο, το ράδιο και το ουράνιο, αν και βρίσκονται στα φυτά, όμως δεν συμμετέχουν στον μεταβολισμό του φυτού. Γενικά, μπορούμε να πούμε ότι στα φυτά υπάρχουν τα στοιχεία εκείνα που απαντούν στο φυσικό περιβάλλον του εδάφους ανάπτυξης του φυτού.
11 Η τάση την οποία εμφανίζει το φυτό να απορροφά από το έδαφος τα ραδιοϊσότοπα εξαρτάται από τον μεταβολισμό του φυτού και τις φυσικοχημικές ιδιότητες του εδάφους. Ο Menzel ανακοίνωσε το 1965 την σειρά επιλεκτικότητας των φυτών για μερικά ραδιοϊσότοπα: Sr» I > Ba > Cs, Ru > Ce >Y, Pm, Zr, Nb > Pu Τα φυσικά ραδιοϊσότοπα που υπάρχουν στο έδαφος και που συμμετέχουν στον μεταβολισμό του φυτού, απορροφώνται από τις ρίζες του φυτού με τον ίδιο τρόπο όπως και το μη ραδιενεργό ισότοπο. Έτσι για παράδειγμα το ασβέστιο-45 που είναι ραδιενεργό εισέρχεται στο φυτό και συμμετέχει στον μεταβολισμό του φυτού με τον ίδιο τρόπο που συμμετέχει το σταθερό ισότοπο του ασβεστίου. Επειδή το ασβέστιο βρίσκεται στο έδαφος με μορφή ιοντική συνεπάγεται ότι και το ραδιοϊσότοπο του ασβεστίου έχει ιοντική μορφή. Αυτό σημαίνει ότι το φυτό δεν έχει την ικανότητα να διαχωρίζει τα ισότοπα ενός στοιχείου. Αν αφήσουμε ένα φυτό να αναπτυχθεί σε υδατικό διάλυμα που περιέχει ασβέστιο και στρόντιο οι ρίζες του φυτού δεν θα διαχωρίσουν τα δύο αυτά ραδιοϊσότοπα. Οι παράγοντες που θα επηρεάσουν την ποσότητα του ραδιοϊσοτόπου που θα απορροφήσουν τα φυτά εξαρτώνται από το βάθος της ρίζας και τη συγκέντρωση του ραδιοϊσοτόπου.
12 Έχει διαπιστωθεί ότι η συγκέντρωση των ραδιοϊσοτόπων στα φυτά είναι πολλαπλάσια της συγκέντρωσης που έχει το έδαφος στο οποίο αναπτύσσεται το φυτό. Το αποτέλεσμα αυτό ερμηνεύεται αν λάβουμε υπόψη ότι το φυτό δεν απορροφά κάθε συστατικό του εδάφους, αλλά μόνο εκείνο που έχει παρόμοιες ιδιότητες προς τα στοιχεία που απαιτεί για την ανάπτυξή του. Προκειμένου επομένως να μειώσουμε την πιθανότητα απορρόφησης ραδιοϊσοτόπων από τις ρίζες του φυτού πρέπει να γνωρίζουμε ποιά σταθερά στοιχεία έχουν την ίδια χημική συγγένεια και συμπεριφορά με τα ραδιενεργά ισότοπα ώστε να αυξήσουμε τοπικά την συγκέντρωση σε σταθερά στοιχεία (μη τοξικά). Στο Σχήμα 5.5 φαίνεται η πορεία του ραδιενεργού ισοτόπου στο εσωτερικό του φυτού. Έντονο πρόβλημα αποτελεί για τον άνθρωπο η μόλυνσή του από ραδιονουκλίδια τα οποία εισέρχονται στον οργανισμό μέσω της αναπνοής. Στην περίπτωση αυτή το 75% της αναπνεόμενης ποσότητας προσβάλλει το άνω αναπνευστικό σύστημα. Η δυσκολία απομάκρυνσης των ραδιονουκλιδίων από τους πνεύμονες προς το γαστρεντερικό σύστημα και στη συνέχεια αποβολή από το σώμα, έγκειται στο γεγονός ότι σχηματίζουν σύμπλοκα ή δυσδιάλυτα άλατα.
13 Σχήμα 5. 5. Πορεία των ραδιοϊσοτόπων στον κορμό του φυτού (κυρίως 40 Κ). Οι έντονα φωτισμένες περιοχές αντιστοιχούν σε συγκέντρωση ραδιονουκλιδιων. Τα βέλη δίνουν τις θέσεις μεγαλύτερης συγκέντρωσης
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.