ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕРОДА
Углерод — элемент IV группы Периодической системы Д, И. Менделеева. Атомная масса 12,01, порядковый номер 6. Углерод известен с древнейших времен. Природный углерод состоит из двух изотопов: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Имеются радиоактивные изотопы 9C, 10C, 11C, 14C, 15C, 16C. Наибольшее токсикологическое значение имеет 14C: β-излучатель, Е= 0,156 МэВ, период полураспада — 5760 лет. 14C открыт в 1940 г.
Значение углерода в природе исключительно велико. Соединения углерода являются основой всех растительных и животных организмов. Он входит в состав тканей организма и продуктов их разрушения: нефти, природных газов, каменного угля, а также в состав многих минералов. Наиболее распространен из них углекислый кальций СаСO3 (известняк, мел, мрамор).
Свободный углерод встречается в виде двух простых веществ — алмаза и графита. При обычной температуре элементарный углерод весьма инертен. При высокой температуре он становится химически активным и непосредственно соединяется со многими металлами и неметаллами.
К числу соединений углерода с различными элементами (водородом, кислородом и азотом) принадлежат белки, углеводы и липиды (жиры), а также их производные — ферменты, гормоны и витамины. Содержание углерода в целых живых организмах может изменяться от 0,1 до 26% живой массы. В организме человека содержится 18% углерода (12,6 кг). В природе 14C постоянно образуется в нижних слоях атмосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра атомов азота ("Ν п, р→4С). Скорость образования составляет 2,5±0,5 ат/с на 1 см2 земной поверхности, что по массе составляет 22,5 г/сут, а по активности 4ТБк. 14C поступает в организм человека в количестве около 100 Бк/сут. В теле человека 14C содержится (34—36) · 10г Бк.
Искусственными источниками образования углерода являются: ядерные взрывы, ядерные реакторы промышленного, транспортного и энергетического назначения, а также отходы научно-исследовательских лабораторий. Максимальная концентрация «бомбового» 14C в атмосфере зарегистрирована в 1965 г., когда уровень его превышал естественный фон на 100%. Общее количество 14C, накопленное к 1972 г., достигло 21,5· 1016 Бк.
В настоящее время основными источниками поступления 14C в окружающую среду являются предприятия ядерной энергетики. В атомных реакторах нейтроны, взаимодействуя с материалами конструкций реактора, замедлителя, теплоносителя, могут образовывать 14C по реакции: [Ι4Ν (п, р)→ 14C, ’Ό (п, а)→4С, 13С (п, γ)→ 14C]. По обобщенным данным, выброс газообразного 14C из энергетических реакторов составляет 3,7Х108 Бк. При этом 95% 14C находится в виде 14CO2, 2,5% в виде 14CО и 2,5% в виде гидрокарбонатов (Кунц).
К 2000 г. в связи с интенсивным ростом ядерной энергетики концентрация 14C в атмосфере может повыситься примерно на 200%, а к 2010 г.— на 500% по сравнению с естественным уровнем (В. П. Рублевский).
ПОСТУПЛЕНИЕ, ВСАСЫВАНИЕ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ВЫВЕДЕНИЕ УГЛЕРОДА ИЗ ОРГАНИЗМА
В организм человека и животных 14C поступает в виде органических и неорганических соединений, входящих в состав пищи. Аэрогенный путь поступления 14C не представляет большой опасности, так как углерод в крови образует нестойкие комплексы (бикарбонатные соединения) и мало задерживается в организме, составляя всего 1% количества углерода, поступающего с пищей.
Выбросы искусственного 14C в атмосферу приводят к повышению его содержания в организме людей. Так, в 1964 —1965 гг. количество его в организме умерших людей превышало естественный уровень на 50%· Дополнительная доза облучения за счет «бомбового» 14C незначительна и составляет 1Х105 Гр. Доза облучения всего тела за счет естественного 14C равна 1,2· 10 5 Гр/год и составляет 1% дозы фонового облучения.
В литературе имеются данные о кинетике обмена, распределении 14C. Хорошо растворимые органические соединения 
всасываются в организме до 90—100%. Распределение 14C в организме является равномерным. 14C быстро выводится из организма, в основном через легкие в виде 14CO2.
Армстронг с соавторами внутрибрюшинно вводили крысам раствор Nа2 14CO3. Около 95% всего содержавшегося в организме 14C вывелось через легкие, причем 50% — за первые 18 мин. Через 2 сут. в организме оставалось всего лишь 2% 14C. Функция удержания 14C в печени и скелете описывалась суммой двух экспонент: 80% радиоактивности выводится с периодом 0,12 сут. и 20% с периодом 3,5 сут; периоды выведения из скелета больше — 0,35 и 7 сут.
В. А. Осипов [85] вводил крысам однократно перорально 14C-стеариновую кислоту в дозе 340, 426 и 516 кБк на крысу. Стеариновая кислота хорошо резорбируется из ЖКТ и относительно равномерно распределяется по органам и тканям (табл. 3.1). Максимальное содержание стеариновой кислоты через 4 ч наблюдалось в печени—12,8%, в мышцах — 4,3%, жировой ткани — 4%. Через 4 сут. в печени содержалось — 2,4%, мышцах —8,2%, жировой ткани —4%. Из внутренних органов 14C выводится быстро.
Выведение 14C из органов и тканей с высоким уровнем метаболических процессов (печень, почки, легкие) определяет первый короткий период полувыведения. Из жировой и костной тканей 14C выводится медленнее, со вторым периодом полувыведения. Скорость обмена у молодых крыс значительно выше, чем у половозрелых и, особенно, у старых животных. По данным И. Я. Василенко и др. 14C, введенный крысам внутрижелудочно в форме К2 14CO3, также интенсивно всасывается (94%). За 4 ч выведение его через легкие составило 90%, с мочой 1—2%. Всасывание Са 14CO3, наоборот, было растянуто во времени. За 2 ч через легкие вывелось 73% поступившего в желудок 14C.
Введенный внутрижелудочно мышам Ba 14CO3 в виде суспензии с глюкозой способствовал отложению 14C в легких. Выведение 14C через легкие в течение 1 ч в форме 14CO2 составило 45%, а за 12 ч —85% (Говерст).
Таблица 3.1. Содержание 14C в органах и тканях крыс после перорального введения 14C-стеариновой кислоты (% введенного количества) [85]
Продолжение табл. 3.1
14C, поступающий в организм в форме органических соединений, накапливается в тканях в больших количествах и медленнее выводится по сравнению с неорганическими соединениями.
Н. А. Запольская и другие при введении крысам 14C-глюкозы установили, что период «полувсасывания» составил 15 мин. Через сутки в организме животных оставалось 27% 14C. Период полувсасывания 14C-олеиновой кислоты и сливочного масла составлял соответственно 1,5 и 3 ч. Максимальная концентрация )4С отмечена через час. Через сутки в организме оставалось 45% 14C, введенного в форме жиров. При введении в организм 14C-глюкозы радиоактивный углерод в большем количестве накапливается в мышцах, а при введении жира, меченного 14C,— в жировой ткани.
Различные соединения 14C в организме окисляются до 14CO3 и выводятся через легкие. Скорость окисления 14C-глюкозы почти в два раза больше, чем жиров, меченных 14C. Всего за одни сутки в виде 14CO2 выводится 56% 14C, введенного в виде 14C-глюкозы, и 30% — при введении жиров. Из большинства органов и тканей (кровь, печень, легкие, кожа, стенка кишечника) )4С выводится очень быстро. За I сут. выделяется 80% 14C. Из жировой и кожной ткани 14C выводится медленно, с периодом полувыведения, равным 20 сут.
Ян Мария и другие в опытах па крысах, которым в течение 680 сут. после внутрибрюшинного введения смеси 15 аминокислот, меченных 14C, определяли выведение 14C через органы дыхания, выделение из ЖКТ. За первые 2 сут. выводится не менее 30% радионуклида, в дальнейшем этот процесс замедляется. Динамика изменения радиоактивности в тканях организма описывается тремя экспонентами, одна из которых характеризуется периодом полувыведения 1400 сут. В некоторых тканях значительная радиоактивность зарегистрирована по истечении 600 сут. после введения 14C. Дозы, получаемые отдельными тканями, варьируют в пределах одного порядка, однако превышают дозу, получаемую после введения 14C-глюкозы при такой же суммарной активности.
И. Я. Василенко и другие исследовали обмен в организме меченных 14C аминокислот (глюкозы, глицина, пальмитиновой и янтарной кислот, этилового спирта, метилового спирта) и установили высокую их всасываемость (95—100%) и относительно равномерное распределение в организме. Органические соединения используются организмом как энергетический материал, и в этом случае 14C выводится медленнее из организма, чем 14C неорганических соединений.
При хронических поступлениях 4С накопление его в органах и тканях определяется содержанием в них стабильного углерода. При многократном поступлении органических соединений, меченных 14C, наступление равновесного состояния обусловлено скоростью метаболических процессов, в которые включаются эти соединения. Быстрее выводится 14C из органов с высоким уровнем метаболических процессов. При ежедневном внутрижелудочном введении 14C-глюкозы равновесное состояние у крыс устанавливалось к концу месяца. Количество депонированного 14C к этому времени достигало 155% вводимого ежедневно. При введении 14C-глицина и 14C-пальмитиновой кислоты равновесное состояние в течение 32 сут. не зарегистрировано. К этому сроку в организме крыс содержалось 790 и 690% ежедневно вводимого количества.
Н. А. Запольская и другие в опытах на коровах и козах, получавших С-глюкозу, изучали обмен и выведение 14C из организма. С суточным удоем молока выводилось около 30% ежедневно поступаемого 4С. Суммарно 50% 14C, выведенного с молоком, содержалось в сливках и 50%—в обрате. После прекращения введения 14C-глюкозы молоко быстро очищается от 14C: первый период полувыведения — 1,2 сут. (выводится 95—97%), второй — 12 сут. (выводится 3,5%). Выведение 14C у коз в течение одних суток составляет 13% введенного количества.
Уильямс и Джонсон [199] на людях исследовали экскрецию 14C с выдыхаемым воздухом и мочой. 11 человек ингалировали по 37· 105 Бк СO2. Установлено, что количество 14C в выдыхаемом воздухе и моче к концу первых суток после ингаляции уменьшается в три раза, и затем концентрация его поддерживается на постоянно низком уровне в обеих средах.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УГЛЕРОДА
В литературе имеются сведения о биологическом действии 14C на организм животных. И. Я. Василенко и другие [15] в опытах на мышах изучали токсичность 14C-глицина при внутрибрюшинном введении в количестве 3,0; 1,5; 0,74 и 0,037 МБк/г в течение 2 сут. и в количестве 6,3 МБк/г в течение 4 сут. Введение 14C в количестве 6,3 МБк, г вызывало острое радиационное поражение тяжелой степени, 50% животных погибли к 21 сут. У мышей отмечалось резкое истощение, снижение числа лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина.
Крысы на протяжении всей жизни получали с питьевой водой 14C-глюкозу в дозах от 1,3· 10 до 1,3· 10 Бк/сут. При низкой поглощенной дозе (сотые доли грея) у животных наблюдали патологические изменения в органах и высокую частоту опухолей молочных желез. В основе наблюдаемой патологии и бластомогенного действия )4С лежат нарушения обменных процессов, эндокринной регуляции и аутоиммунные процессы.
14C проникает во все органы и ткани организма, включается непосредственно в молекулы органических соединений. Он может неблагоприятно действовать в результате превращения атомов углерода в атомы азота (трансмутационный эффект). Это приводит к разрывам химических связей в ДНК — носителе наследственной информации организма, возникают точковые мутации, что действует на геном человека. По данным Паулинга трансмутационный эффект 14C вызывает около 10% всех генетических и соматических повреждений. Тоттер и другие, исходя из содержания радиоактивного углерода в половых клетках млекопитающих и предполагая, что каждый акт распада 14C приводит минимум к одной необратимой мутации, подсчитали, что из 2% рождающихся в мире детей с генетическими повреждениями 0,06% могут быть связаны с распадом естественного 14C в ДПК человека.
Важное значение для оценки биологического эффекта имеют коэффициенты относительной генетической эффективности (ОГЭ) и коэффициенты относительной биологической эффективности (ОБЭ). Экспериментальная оценка ОГЭ трансмутаций 14C в составе ДНК по сравнению с внешним действием γ- или рентгеновского излучений дает разноречивые результаты — от 1 до 20. ОБЭ НС по сравнению с внешним γ-излучением в опытах с 14C-глюкозой составляет единицу. Биологическая эффективность 14C, введенного мышам в форме С-глицина, по летальному эффекту в острой стадии поражения равна эффективности внешнего γ-облучения. 14C, как и другие радионуклиды, формирует естественный радиационный фон Земли. Эффективная эквивалентная доза облучения за счет 14C составляет 12 мкЗв/год. В результате ядерных взрывов в биосферу поступило 220 ПБк 14C и продолжает поступать с предприятий атомной промышленности. Облучение за счет 14C от ядерных взрывов достигло в 1963 г. 7% фона, в настоящее время меньше 1% фона. Вклад 14C в общую дозу от предприятий ядерной энергетики составит 70%, но реализуется она приблизительно за 10 000 лет.
Возможное увеличение злокачественных новообразований за счет антропогенного 14C может составить к 2005 г 1 случай на 10 млн. человек, а врожденных тяжелых дефектов 0,2 случая на 10 млн. человек.
Неотложная помощь при остром поражении 14C и его соединениями.
Дезактивация загрязненных участков кожи водой с мылом, моющими порошками «Новость», «Эра», «Acтра». При попадании внутрь — вызывание рвоты (1%-ный апоморфин— 0,5 мл подкожно) или промывание желудка обильным количеством воды с активным углем. Солевые слабительные: MgSO4 или Na2SO4, 30:200. Очистительные клизмы, мочегонные.
Допустимое годовое поступление 14C в организм персонала через органы дыхания 32,19-107 Бк/год; ДК в воздухе рабочих помещений 1,29-10- 4 Бк/л; в атмосферном воздухе 4,44 Бк/л, в воде 30,34-103 Бк/л.
