Ten typ zanieczyszczeń jest najgroźniejszy dla organizmów żywych ze względu na silne mutacyjne i teratogenne działanie. Istotą zanieczyszczeń radioaktywnych jest to, że są one źródłem różnego rodzaju promieniowania jonizującego. Organizmy żywe od powstania życia na Ziemi stale były narażone na określone dawki promieniowania jonizującego pochodzenia naturalnego i do takich dawek materia jest przystosowana. Jest to tzw. Naturalne tło promieniotwórcze, wynikające z obecności w atmosferze, hydrosferze i glebie naturalnych pierwiastków promieniotwórczych: 40K, 226Ra, 232Th, 14C, 3H, itp. oraz z promieniowania kosmicznego. W sumie naturalne źródła promieniowania jonizującego kształtują się na poziomie około 100 mrad (miliradów) na rok. Występowanie w niektórych rejonach świata formacji geologicznych bogatszych w pierwiastki promieniotwórcze stwarza środowisko o wyższym poziomie dawek jonizujących (Indie, Brazylia, Kongo, Czechosłowacja).
Nasilenie promieniowania kosmicznego jest wyraźnie zależne od wysokości nad poziomem morza:
Na poziomie morza = około 30-50 mrad/rok
3000 m n.p.m. = około 120 mrad/rok
9000 m n.p.m. = około 1000 mrad/rok
Odkrycie i wykorzystanie energii jądrowej naraża organizmy żywe na zmianę w dawkach promieniowania jonizującego. Główne jego źródła to: broń jądrowa i eksplozje doświadczalne, energetyka jądrowa (elektrownie, statki, łodzie podwodne), przemysł używający technologii jądrowej (ciężki, chemiczny, spożywczy), metody radiacyjne używane w celach badawczych w górnictwie, geologii itp. łącznie z naukami biologicznymi i medycznymi. Np. ilość 14C zwiększyła się w atmosferze ponad dwukrotnie a jest to pierwiastek włączający się w procesy metaboliczne struktur biologicznych. Podobną aktywność wykazują 90Sr, 137Cs, 131J, 32P i inne. Kumulacja w poszczególnych ogniwach łańcucha pokarmowego w trakcie przechodzenia z jednego do drugiego poziomu troficznego jest niekiedy kilkudziesięciokrotna.
Jednostką dawki ekspozycyjnej jest 1 Roentgen wywołujący w 1cm3 powietrza 2×10 9 par jonów o sumarycznym ładunku równym jednostce elektrostatycznej.
Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 rad czyli dawka dowolnego promieniowania powodująca pochłonięcie 100 ergów energii przez 1g napromieniowanej materii.
Pomiar dawek promieniowania to dziedzina radiometrii (dozometrii). Eksperymentalnie stwierdzono, że w obiekcie biologicznym poddanym napromieniowaniu zjawiska zmian fizycznych i fizykochemicznych zachodzą podobnie jak w materii nieożywionej. Jednak szybkość tych faz i złożoność struktur w obiekcie biologicznym powoduje, że są mało uchwytne w radiometrii biologicznej. Natomiast bardziej wyrazista jest trzecia faza – biochemiczna (trwałe zaburzenia procesów metabolicznych) i dalsze fazy: czwarta – patofizjologiczna, kiedy to pod wpływem napromieniowania dochodzi do zaburzeń przepuszczalności błon, przyswajania substancji odżywczych, rozkojarzenia systemów regulacyjnych, zahamowania podziałów komórkowych, zaburzeń w krążeniu, wydalaniu, oddychaniu, itp. W fazie piątej – morfologicznej – następują zmiany budowy histologicznej (np. cytopenia szpiku kostnego, układu chłonnego i krwi obwodowej, zniszczenie błony śluzowej przewodu pokarmowego, itp.). W fazie szóstej – zejściowej – dochodzi do całkowitego lub częściowego wyzdrowienia w przypadku przewagi procesów naprawczych (zwykle przewlekłe schorzenia popromienne) albo też do śmierci napromieniowanego organizmu.
Wprowadzono zatem pojęcia ujmujące ilościową ocenę procesów radiopatologicznych:
1 Rem jest jednostką dawki biologicznej
D Rem = D Rad x WSB
WSB równa się efektowi wywołanemu przez promieniowanie X o energii odpowiadającej napięciu 200kV w aparacie rentgenowskim.
LD 50 lub DL 50 jest to tzw. Dawka półletalna, wywołująca śmierć 50% osobników w ciągu 30 dni od napromieniowania.
LD100 jest to dawka bezwzględnie śmiertelna dla wszystkich napromieniowanych osobników.
D E min jest to najniższa dawka efektywna czyli progowa – wywołująca efekt radiobiologiczny.
Skutki napromieniowania zależą od:
1. rodzaju promieniowania
2. natężenia i czasu ekspozycji
3. odległości od źródła promieniowania
4. rozległości
5. wieku i płci
6. gatunku
7. wrażliwości osobniczej
Szczególnym fenomenem wytrzymałości na promieniowanie jest bakteria Deinococcus radiodurans znosząca dawkę promieniowania rzędu 1,5 miliona radów.
Efekty biologiczne napromieniowania w radach:
Wielkość dawek ostrych Charakterystyczne skutki napromieniowania
1 – 10 R Możliwe zmiany mutagenne, teratogenne i onkogenne
10 – 100 R Jak wyżej, plus przejściowe odczyny wczesnej choroby popromiennej
100 – 1000 R Ostre zespoły chorobowe, często śmiertelne u zwierząt wyższych
1000 – 10000 R Śmierć większości gatunków zwierzęcych; ciężkie uszkodzenia roślin wyższych
10000 – 100000 R Śmierć większości roślin i zwierząt oraz niektórych drobnoustrojów
100000 – 1000000 R Śmierć większości drobnoustrojów
>1000000 R Możliwe przetrwanie niektórych wirusów i do 1,5 mln R – Deinococcus radiodurans
Wrażliwość na promieniowanie poszczególnych narządów i komórek:
Zaobserwowano ogólną zasadę, że komórki mało zróżnicowane, młode, szybko dzielące się, młode, i rosnące są o wiele bardziej wrażliwe niż dojrzałe. Komórki krwi obwodowej (np. erytrocyty) są znacznie bardziej odporne niż młode komórki szpiku kostnego. Analogicznie jest u roślin – komórki stożków wzrostu, kambium i fellogenu są znacznie bardziej promienioczułe niż komórki tkanek stałych.
Radiowrażliwość narządów i tkanek zwierzęcych:
Stopień wrażliwości Tkanki i narządy
Silnie radiowrażliwe Układ limfatyczny (limfoblasty i limfocyty), grasica (tymocyty), szpik i krew obwodowa (limfoblasty, limfocyty, granulocyty), nabłonek żołądkowo-jelitowy, gonady (nabłonek rozrodczy jąder i oocyty jajników)
Średnio radiowrażliwe Tkanki płodowe (łącznie z komórkami układu nerwowego), narządy zmysłów (szczególnie rogówka, soczewka, spojówka), śródbłonki naczyniowe, skóra, ślinianki, nerki, wątroba, rosnące kości i chrząstki, płuca
Słabo radiowrażliwe OUN, gruczoły wydzielania wewnętrznego (z wyjątkiem gonad), kolagen i tkanka elastyczna oraz serce
Radioodporne Mięśnie, kości i chrząstki, tkanka łączna (fibroblasty i fibrocyty)
Objawy popromienne w organizmie ludzkim:
Objawy choroby popromiennej zależą od: wielkości napromieniowanego obszaru ciała, wielkości pochłoniętej dawki, natężenia promieniowania.
Przedział dawek ekspozycyjnych Objawy popromienne
25 – 50 R Przejściowe zmiany we krwi wykrywalne tylko laboratoryjnie
50 – 100 R Jak wyżej plus przejściowe niedomagania
100 – 200 R Lekka postać choroby popromiennej; pierwsze objawy – ogólne i przemijające zmiany hematologiczne; dawka 200 R jest dawką progową, powyżej której pojawiają się zmiany kliniczne typowe dla ostrej choroby popromiennej
200 – 400 R Choroba popromienna o średniej ciężkości; śmiertelność waha się w granicach 50 %
400 – 600 R Ciężka choroba popromienna śmiertelność do 100% u osób nieleczonych
>600 R Bardzo ciężka choroba popromienna, kończąca się zwykle śmiercią po kilkunastu dniach; w im krótszym czasie została pochłonięta dawka tym cięższe okazuje się uszkodzenie popromienne
Wyróżnia się ostrą i przewlekłą chorobę popromienną.
Ostra choroba popromienna:
Objawy zwiastunowe – ogólny niepokój, bezsenność, bóle i zawroty głowy, osłabienie mięśni, mdłości, wymioty, itp. Pojawiają się po kilku lub kilkunastu godzinach od napromieniowania. Następuje potem okres utajenia, poczym pojawiają się objawy właściwe dla jednej z trzech postaci choroby popromiennej: hematologicznej, jelitowej lub mózgowej.
Postać hematologiczna – przy dawce powyżej 100 R do 200 R wykazuje przejściowy wzrost liczby białych krwinek i umiarkowane zaburzenie krzepliwości. Powyżej 200 R następuje wyraźny spadek liczby krwinek czerwonych, białych i płytek krwi z objawami niedokrwistości, skazy krwotocznej z możliwymi towarzyszącymi infekcjami. Skaza krwotoczna jest wynikiem spadku liczby płytek krwi, poczym powstają liczne wybroczyny i wylewy podskórne i w błonach podśluzowych, krwawienie z nosa i dziąseł, krwiomocz a w następstwie infekcji wysoka gorączka. Wyższe dawki wywołują rumień skóry przekształcający się w ostre zapalenie skóry z wytworzeniem pęcherzy i ognisk martwiczych, towarzyszy temu utrata owłosienia.
Postać jelitowa – wywołana jest dawką około 500 R, która jest wartością progową dla nabłonka jelitowego, poczym następuje jego zniszczenie. Objawami są wymioty, biegunka, niezwykle uporczywe, w wyniku których powstają zaburzenia w gospodarce wodno-elektrolitowej. Błona śluzowa obnażona z nabłonka jest otwarta dla wszelkich bakterii, zanik gammaglobulin we krwi i zniszczenie węzłów chłonnych prowadzi do bezbronności ustroju. Śmierć następuje w kilkanaście dni po napromieniowaniu.
Postać mózgowa – dawką progową jest 2000 R na całe ciało. Już w drugiej, trzeciej godzinie występuje apatia, niepokój, bezsenność a dalej stan lęku i śpiączka. Napięcie mięśniowe, niezborność ruchowa, drgawki, zaburzenia w oddychaniu, objawy ciężkiego porażenia OUN, utrata przytomności i śmierć.
Przewlekła choroba popromienna:
Powstaje w warunkach długotrwałego narażenia organizmu na promieniowanie o niskiej mocy. Uszkodzenia dotyczą głównie układu krwiotwórczego (spadek wskaźników hematologicznych), krwionośnego, skóry, soczewki oka, układu kostnego. Dochodzi do zwłóknienia i marskości wątroby, płuc, nerek. Zawsze występują objawy ze strony układu nerwowego, regulacji neurohormonalnej, termoregulacji, upośledzenie mechanizmów adaptacyjnych i regeneracyjnych oraz spadek odporności. Skóra staje się sucha, lśniąca, cienka, łatwo pęka, występuje zanik linii papilarnych, łamliwość paznokci, owrzodzenia, łysienie. Oczy – zmętnienie soczewek, tętniaki w siatkówce, zapalenie spojówek. Kości – ponieważ kumulują się w nich substancje promieniotwórcze, następuje rozrzedzenie ich utkania, czego skutkiem jest zmniejszona ich wytrzymałość na urazy mechaniczne, stąd samoistne złamania kości długich żuchwy i kręgów.
Późne skutki somatyczne promieniowania jonizującego.
Biorąc pod uwagę niezwykle mutagenny charakter promieniowania jonizującego można z całą pewnością stwierdzić, że nie ma dawek nieszkodliwych. Osobniki poddane niewielkim dawkom mogą nie wykazywać objawów chorobowych lub nikłe, po których następuje powrót do zdrowia. Jednak po latach mogą pojawić się u nich efekty tegoż napromieniowania. Do takich późnych skutków napromieniowania zalicza się:
1. wzrost częstości nowotworów w tym białaczki
2. niedokrwistość i skazy krwotoczne
3. nasilenie procesów zwyrodnieniowych i zanikowych
4. skracanie przeciętnego okresu życia
5. przyspieszenie starzenia
6. zaćma
7. upośledzenie rozrodczości
8. ujemny wpływ na rozwój i zdrowie w okresie życia wewnątrzmacicznego
Najpoważniejszymi uszkodzeniami są uszkodzenia komórek rozrodczych.
W wyniku napromieniowania mogą wystąpić mutacje genomowe powstające zazwyczaj w wyniku uszkodzenia wrzeciona podziałowego, mutacje chromosomowe różnego typu i mutacje genowe powodowane zrywaniem mostków wodorowych między podwójnymi łańcuchami DNA – po najniższych dawkach promieniowania. Po dawkach niskich i średnich – pęknięcia w obrębie jednego z łańcuchów podwójnego pasma DNA a po dawkach wysokich – przerwy w obydwu łańcuchach DNA w jednym bądź też kilku miejscach z możliwością wtórnego wytworzenia nieprawidłowych połączeń, itp.
Prawdopodobieństwo usunięcia uszkodzeń popromiennych DNA maleje w miarę wzrostu pochłoniętej dawki. Inne zmiany to zaburzenia aktywności układów enzymatycznych, nieprawidłowa przepuszczalność błon komórkowych, jądrowych i innych cytomembran a także zmiany chemicznego składu cytoplazmy powodowane głównie przez:
– zaburzenia fosforylacji oksydacyjnej upośledzające wytwarzanie energii w komórce
– inaktywacja polimeraz uczestniczących w replikacji, transkrypcji i translacji
– uszkodzenie samego DNA uniemożliwiające replikację lub czynności matrycowe
