Цезий — щелочной металл I группы Периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 55, атомной массой 132,9. Открыт в 1860 г. немецкими учеными Кирхгофом и Бунзеном. Название получил от латинского слова caesius— голубой, по характерной яркой линии в синей области спектра. В настоите время известно несколько изотопов цезия, от 125Cs до 148Cs. Наибольшее практическое значение имеет 137Cs, один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.
В растворе продуктов деления урана двухгодичной давности содержание 137Cs составляет 4,85% суммарной активности, а в растворе урана пятилетней давности 15,2%. В продуктах деления урана содержится до 6% изотопов цезия.
137Cs — смешанный β-, γ-излучатель, Е= 0,51 МэВ (92%) и 1,17 МэВ (8%) с периодом полураспада 30 лет. Продукт распада 137Cs — возбужденный 137Ва с периодом полураспада 2,57 мин испускает γ-кванты, Е = 0,662 МэВ.
Испытания ядерного оружия послужили источником загрязнения биосферы радиоактивными веществами. Содержание 137Cs в смеси продуктов ядерного взрыва на дальнем следе через 7 сут. после взрыва составляет в среднем 0,4%. 137Cs содержится в облученном ядерной горючем. Ориентировочное количество 137Cs, образующегося в ядерной реакторе мощностью 500 тыс. кВт после 180 сут. его работы, составляет около 11,1· 1015 Бк.
Ядерная энергетика является источником выброса целого ряда радионуклидов, в том числе и 137Cs. Согласно прогнозу советских ученых, в 2000 г. реакторами АЭС всех стран мира в атмосферу ежегодно будет выбрасываться до 22,2· 101я Бк 137Cs. Выброс 137Cs может происходить не только в атмосферу, но также и в океаны с атомных подводных лодок, танкеров, ледоколов, оснащенных ядерно-энергетическими установками (А. А. Моисеев, П. В. Рамзаев, 1975). Суммарная активность продуктов деления, образовавшихся в ядерной реакторе атомной подводной лодки мощностью 60 МВт при его непрерывной работе в течение одного года, достигает более 3,7· 1017 Бк, в том числе 137Cs — приблизительно 24,05· 10 14 Бк. (Dus, 1958). Естественно, что при крупных авариях, происшедших с двумя атомными подводными лодками США («Третер» в 1963 г. и «Скорпион» в 1967 г.), большая часть радиоактивных веществ, включая 137Cs, могла поступить в воду и явиться источником длительного загрязнения. Изотопы цезия, являясь продуктами деления урана, включаются в биологический круговорот и свободно мигрируют по различным биологическим цепочкам. В настоящее время 137Cs обнаруживается в организме различных животных и человека. Следует отметить, что стабильный цезий входит в состав организма человека и животных в количествах от 0,002 до 0,6 мкг на 1 г мягкой ткани.
По своим химическим свойствам цезий близок к рубидию и калию — элементам 1 группы. Радиоизотопы цезия применяются в химических исследованиях, в гамма-дефектоскопии, в радиационной технологии, в радиобиологических экспериментах. 137Cs используется как источник γ-излучения для контактной и дистанционной лучевой терапии, а также для радиационной стерилизации. Изотопы цезия при любом пути поступления в организм хорошо всасываются. Всасывание 137Cs в ЖКТ животных и человека составляет 100%. В отдельных участках ЖКТ всасывание 137Cs происходит с различной скоростью. По данным Moor, Comar (1962) через час после введения всасывается по отношению к введенной дозе: в желудке—7%, в двенадцатиперстной кишке —77%, в тощей —76%, в подвздошной — 78%, в слепой—13%, в поперечно-ободочной кишке — 39%.
Через дыхательные пути в организм человека поступление 137Cs составляет 0,25% величины, поступающей с пищевым рационом (Suguri, 1964). После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах кишечника. Степень реабсорбции цезия может существенно различаться у разных видов животных. Попав в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по органам и тканям. Путь поступления и вид животного не влияют на характер распределения изотопа.
Л. А. Булдаков, Г. К. Королев считают, что изотопы цезия больше всего накапливаются в мышцах. По данным Ю. И. Москалева после внутривенного введения 137Cs быстро покидает кровяное русло. В первые 10—30 мин максимальная концентрация его регистрируется в почках (7—10% в 1 г ткани). Затем происходит перераспределение его, и основные количества—до 52,2% — задерживаются в мышечной ткани.
Begovic е. а. (1980) свиньям с пищей давали 137Cs однократно или повторно в течение 7 сут. в суммарных дозах 2,967 или 1,609 кБк. На 1, 7, 14, 28 и 60 сут. после введения изотопа животных забивали и исследовали содержание 137Cs в мышечной ткани. Содержание активности в мышечной ткани животных, получавших 137Cs в дозе 2,967 кБк, было почти в 2 раза выше, чем у животных, получавших 137Cs в дозе 1,609 кБк. Уменьшение радиоактивности в мышечной ткани было наиболее выражено в первые 14 сут. при обеих дозах радионуклида. Выведение 137Cs из организма свиней осуществлялось главным образом с мочой. Скорости выведения 137Cs при однократном и повторных введениях существенно различались. Период полувыведения изотопа при однократном введении составлял 5 сут, а при повторных— 14 сут.
Ekman, Greitz (1967) приводят данные по распределению 137Cs у северных оленей после однократного введения. В мышцах накапливается 100%, в почках —79, сердце — 67, селезенке — 60, легких — 55, печени — 48%.
Bekker (1968) в опытах на собаках с однократным внутривенным введением 137Cs в количестве 3,58— 14,06·107 Бк/кг изучал распределение по органам. Показано, что наибольшие количества 137Сз через 19—81 сут. содержатся в скелетных мышцах, печени, почках. Введенная доза 137Cs и пол животных не влияют на распределение нуклида по органам и тканям.
После внутривенного введения 137Cs в крови крысы через 10 мин остается лишь 2,73%, через I ч— 1,71%, через 1 сут. — 1, 14%, через 8 сут. —около 0,51%, а через 16 сут. —около 0,31% общего количества введенного цезия. Основное количество цезия (около 97%) покидает кровяное русло в течение первых минут опыта. Через 10 мин в крови наблюдается низкая концентрация радионуклида (0,2% на 1 г массы влажной ткани) (Ю. И. Москалев, 1985).
Аналогичное поведение цезия отмечено и у человека. Так, через 5 мин после внутривенной инъекции в крови обнаруживается 27% введенного количества, через 2 ч —3,5%. Через 10 сут. в крови остается всего лишь 2% цезия. В течение первых суток отношение концентраций цезия в цельной крови и плазме возрастает до 4:1 и в последующие 4 сут. оно не меняется (Rosoff е. а., 1963).
При внутривенном введении крысам цезий накапливается в мышцах (52,2% на 4 сут), содержание его в почках через 10 мин 12,6%, в ЖКТ 18%. В коже через 1 ч содержится 7,7%, в печени через 6 ч 8%, в скелете через 6 ч 4,2%. Из скелета цезий выводится так же быстро, как и из паренхиматозных органов (Ю. И. Москалев).
Большое практическое значение имеют сведения о распределении 137Cs при хроническом поступлении в организм. Эти данные позволяют не только оценить особенности распределения его в разные сроки, но и судить о кратности накопления, установлении равновесия между поступлением и накоплением цезия в различных органах и тканях. В условиях хронического поступления 137Cs депонируется в организме до определенной величины. У различных животных кратность накопления цезия различная. Так, у мышей при длительном пероральном введении цезия она составляет 3, у крыс в мышцах—12, во всем организме — 17, у кроликов — от 8,1 до 23, в среднем — 15,5. У собак кратность накопления 137Cs в организме составляет 30, т. е, в организме может задерживаться в 30 раз больше радионуклида, чем поступает ежесуточно (Л. А. Булдаков, Ю. И. Москалев).
Выделение 137Cs из организма происходит в основном через почки, причем в течение первого месяца опыта с мочой выделяется в 6—9 раз больше, чем с калом. За месяц выделяется до 80% 137Cs по отношению к введенному количеству. При хроническом поступлении изотопа в организм после достижения равновесного состояния выделение 137Cs с мочой и калом остается постоянным. Эффективный период полувыведения 137Cs из организма мышей составляет 3, крыс—18, морских свинок — 19—25, кроликов—19 сут. По данным МКРЗ биологический период полувыведения 137Cs из организма человека составляет 70 сут, из мышц, легких и скелета — 140 сут.
Экспериментальные исследования показали, что 137Cs выводится из организма кормящей самки с молоком. Он легко проникает через плаценту в организм плода. Токсичность 137Cs не зависит от пути поступления в организм. Это обусловлено тем, что цезий быстро всасывается в организме при любом пути поступления. Величина секреции 137Cs в молоко у коров, овец и крыс практически одинаковая и составляет 7,5—15% за 15—30 сут. (Л. А. Булдаков, Ю. И. Москалев, 1968). У человека около 10% 137Cs быстро выводится из организма ≈1 сут). Оставшиеся 90% выводятся медленно. Для этой фракции Т6 составляет от 50 до 200 сут. (Boni, 1969, Hasanau, Rahola, 1971). Rundo and Taylor (1968) считают, что 7,2% цезия выводится с Т6=1 сут, а 92,8% с Т6=89 сут.
Изотопы цезия обладают выраженным биологическим действием на организм животных. При подкожном введении 137Cs крысам в дозе 14,8· 10s Бк/г все животные погибали на 9— 11 сут. при кумуляции дозы 60 Зв. У животных отмечалось: одышка, слабость, потеря аппетита, кровавый понос, кровянистые выделения из носа, снижение массы тела на 12—19%. При меньшей концентрации 137Cs (7,4-105 Бк/г) смерть животных наступала на 99—328 сут. В крови у крыс наблюдалась лейкопения. Снижалось количество лимфоцитов и нейтрофилов. При введении 137Cs в дозе 14,8-105 Бк/г наступало угнетение эритропоэза (Л. Н. Бурыкина) (табл. 5.10). У крыс наблюдались резкие нарушения условно рефлекторной деятельности. Введение животным 137Cs в дозе 2,96· 10s Бк/г вызывало изменение возбудительных и тормозных процессов, снижение условных рефлексов. Развитие защитного торможения переходило в сон. Гистологические изменения в органах носили полиморфный характер: наблюдались очаги некроза в печени, кровоизлияния в органы, отек мозга, нефроз почек.
Ю. И. Москалев (1955) вводил крысам однократно внутривенно или перорально 137Cs в широком диапазоне доз —от 7,4 до 122,1-105 Бк. При введении 137Cs в больших дозах у крыс развивается картина острой лучевой болезни. Крысы становятся вялыми, отказываются от пищи, развивается гастроэнтероколит. На вскрытии — атония кишечника, кровоизлияния в различные органы, аплазия кроветворных органов, язвы в кишечнике. В крови снижается число лейкоцитов. В отдаленные сроки после поражения 137С.$ у животных развивались воспалительные процессы в легких, ЖКТ, среднем ухе, доброкачественные и злокачественные опухоли в различных органах, выраженное полысение. При введении остро- и подостроэффективных доз 137Cs резко сокращается продолжительность жизни. Из 49 крыс, проживших больше 200 сут, у 20 животных развились опухоли кроветворных органов, толстого кишечника, почек, костей, желез внутренней секреции.
Таблица 5.10. Токсичность изотопов цезия
Таким образом, при поражении животных остроэффективными дозами 137Cs (15,6— 53,6)·104 Бк/г развивается картина острой лучевой болезни с агранулоцитарным и геморрагическим синдромами. У собак в острой стадии поражения цезием развиваются некротические ангины, кровоизлияния в подкожную клетчатку, легкие, ЖКТ, апластические изменения в кроветворных органах. У крыс при воздействии хронически эффективных доз наблюдаются воспалительные процессы в легких, ЖКТ, среднем ухе, атрофия семенников.
Глубина и скорость развития лейкопении при поражении 137Cs зависят от количества введенного радионуклида. При введении большого количества 137Cs у животных развивается анемия. В острой стадии поражения у крыс падает содержание тромбоцитов, эозинофилов, моноцитов, появляются токсические формы гранулоцитов. В отдаленные сроки после воздействия 137Cs в небольшой дозе (7,77—12,58-10* Бк/г) у крыс длительно сохраняется лейкопения и возникают опухоли кроветворной ткани, кишечника, подкожной клетчатки, молочных желез, легких, почек, надпочечников.
В литературе имеются сведения о воздействии 137Cs на организм человека. Мужчина в возрасте 31 года случайно выпил раствор 137Cs в количестве 14,8· 107 Бк.
Доза облучения организма до полного выведения радионуклида составила 2,4 Зв. Через 3 сут. после отравления у него появились жалобы на плохое самочувствие, шум в голове, слабость, дрожание рук. Отмечены желтое и оранжевое свечения ядер гранулоцитов крови при анализе в люминесцентном микроскопе, дегенеративные изменения клеток костного мозга. Наблюдалось учащение пульса до 100 ударов в мин, колебания кровяного давления, приступы слабости. Через 2—3 нед появились жалобы на головную боль, головокружение, боли в области сердца, тошноту, утомляемость, боли в желудке, сухость во рту, отмечалось увеличение печени на 1,5 см. В ЭКГ обнаружены незначительные изменения миокарда. На 17 сут. появилось выпадение волос, усиленная потливость, гиперестезия кожи всего тела, снижение брюшных и сухожильных рефлексов, усиление вазомоторных реакции. Отмечены признаки депрессии в психической сфере.
Лейкоцитоз в крови отмечался в течение первых 9 сут. с последующим снижением количества лейкоцитов до 5200. Изменений со стороны красной крови не отмечено. Количество ретикулоцитов колебалось от 3 до 14%. Временами наблюдалась умеренная тромбопения, время кровотечения и свертываемость крови не менялись. Через 2 мес пациент выписался в удовлетворительном состоянии. Через 5 мес состояние его здоровья снова ухудшилось. Усилилась тошнота, рвота по утрам, боли в желудке и сердце, слабость, подавленное настроение, лабильный пульс, колебания кровяного давления, плохой сон, снижение сухожильных рефлексов, вазомоторная лабильность. Выявлено резкое снижение количества 17-кетостероидов в моче (с 20,8 до 8,7 мг). Количество лейкоцитов и лимфоцитов, а также эозинофилов уменьшилось, сохранились желтое и оранжевое свечения ядер у нейтрофилов. Далее состояние больного улучшилось, и он снова приступил к работе, хотя работоспособность его оставалась пониженной.
Таким образом, 137Cs в дозе 14,8· 107 Бк вызвал изменения в системе крови, нервной системе и психике, сердечно-сосудистой и эндокринной системах, в ЖКТ (Μ. Н. Фатеева, 1960).
Dziuk е. а. (1985) приводят данные о несчастном случае с женщиной, работавшей с источником 137Cs. Загрязнение организма произошло в результате разгерметизации источника общей активностью 92,5 ГБк. Госпитализация женщины (28 лет) проведена на 9 сут. после аварии. Обнаружены: пониженное число лейкоцитов в крови (3400/мм3) и повышенное число хромосомных повреждений в лейкоцитах. Содержание радионуклида в организме на 8 и 15 сут. было равно соответственно 240,5 и 188,7 кБк. Суточная экскреция с мочой составила 0,44—1,28 кБк. Введение диуретиков не повлияло на скорость экскреции 137Cs. Период полувыведения составил 64 сут. Общая доза облучения равна 2,6 мЗв.
Через 3 недели морфологический состав периферической крови нормализовался. Слабое действие диуретиков было связано с их поздним приемом на 9 сут. после загрязнения.
Rosofi е. а изучали выведение l07Cs из организма у 11 взрослых больных (4 женщины и 7 мужчин) с опухолями различных органов и легочными заболеваниями. 137Cs вводился внутривенно или перорально в количестве 37—150 · К)1 Бк. У пациентов с помощью счетчиков измеряли содержание 137Cs во всем теле, в моче и кале, концентрацию в крови. В период наблюдений 5 человек умерло с 3 по 165 сут. после введения радионуклида. После смерти определяли содержание 137Cs в органах и тканях. Авторы считают, что 137Cs всасывается до 100%. В течение первых суток после внутривенного введения концентрация 137Cs в крови быстро снижается с 27% введенного количества через 5 мин до 3,5% к концу второго часа. Через 10 сут. в крови остается всего лишь 2% 137Cs.
Taylor, Vennart (1962) изучали выделение 137Cs у 5 человек, случайно проглотивших его в количестве от 2,22 до 59,2· 10’ Бк. С мочой за период с 255 до 687 сут. выделялось в сутки в среднем 0,6% содержащегося в теле 137Cs.
В результате аварии на Чернобыльской АЭС из реактора было выброшено 10% 134Cs и 13% 137Cs. Общее количество 137Cs, выброшенного в атмосферу и осевшего па землю, составляет приблизительно 3,7·1016 Бк. Загрязненные воздушные массы, содержавшие изотопы цезия, распространились на значительные территории БССР, УССР и РСФСР. Уровни радиации за счет γ-излучеиия на удалении 5—10 км от места аварии составляли около 2,58· 10 4 Кл/кг. В воздушных пробах выделены продукты деления и продукты наведенной активности (237Np и i34Cs). Уровни радиации вблизи АЭС через 15 сут. составляли 0,013-10 4 Кл/кг. Содержание изотопов цезия в пробах воздуха и грунта составляло от 1 до 20%. Содержание 137Cs в мясе (говядине) было на уровне 3,7 ·103 Бк/кг — 3,7· 10’ Бк/кг.
Исследование мочи у больных в клинике показало, что суммарная активность по 134Cs и 137Cs составляла от 0,25 до 0,37· 10’ Бк/мл 11. 21.
В сентябре 1987 г. в г. Гоянн (Бразилия) произошел радиационный инцидент, второй но серьезности после аварии в Чернобыле Два молодых мусорщика продали сборщику утиля цилиндр из нержавеющей стали, который они изъяли из сера пептической получательской установки и заброшенной клинике. На свалке цилиндр разобрали. Внутри его находилась платиновая капсула, которая была вскрыта. Она содержала яркий голубой порошок, который несколько человек взяли домой, привлеченные его красотой. Некоторые лет натирали им тело. Порошок оказался 137Cs с общей активностью 51,8·1012 Бк
Загрязнению подверглось 244 человека. Из них 54 — госпитализировано для дальнейшего контроля загрязнения или лечения. 34 человека вскоре были выписаны.
Сознавая масштабы инцидента, правительство Бразилии обратилось за помощью в МАГАТЭ. Представители различных стран, в том числе и СССР (Г. Д. Селидовкин), прибыли в Бразилию. Медицинская бригада установила, что 20 наиболее пострадавших лиц получили дозы от 1 до 8 Гр. У пяти человек наблюдали лучевую болезнь тяжелой степени, у трех — средней степени тяжести, остальные имели легкую степень поражения. У 19 из 20 пострадавших имелись ожоги кожи. Все 20 человек подверглись внутреннему загрязнению. Для ускорения выведения 137Cs из организма применяли препарат «Радиокардас» производства ФРГ. Период полувыведения 137Cs из организма пострадавших составлял 20—30 сут. Прибывший из США д-р Р. Гейл шести наиболее пострадавшим вводил в полую вену препарат ГМ-К.СФ (гранулоцитомакрофагальный колониестимулирующий фактор). ГМ-КСФ — гормон, стимулирующий образование нейтрофилов и моноцитов в костном мозге. Из шести больных, получавших препарат, два человека выжили, четыре погибли. Смерть наступила от аплазии костного мозга и инфекционных осложнений (Г. Д. Селидовкин, 1988).
В 1962—79 гг. в Северной Аляске были измерены уровни концентрации 137Cs в глобальных радиоактивных осадках в пищевой цепи лишайник — олень карибу — эскимос. Особенно значительные радиоактивные осадки отмечались после крупных испытаний ядерного оружия в атмосфере, и из-за особенностей окружающей среды 137Cs переходил по пищевой цепи в организм эскимосов с задержкой приблизительно в 2 года. Концентрация 137Cs в пробах мяса карибу, взятых во время весеннего урожая, была в 4 раза выше, чем в лишайнике из зимних пастбищ. Расчетное потребление эскимосами мяса зимой колебалось в пределах приблизительно от 1 кг в сут. в 1964 г. до 0,16 кг в сут. в 1977 г. Ряд факторов окружающей среды влиял на сезонность и на количество передвижения 137Cs по пищевой цепи. Наибольшие концентрации 137Cs отмечались в организме эскимосов в 1964 г., приблизительно 7,4-102 Бк на 1 кг массы тела, которая в настоящее время уменьшилась приблизительно до 1,85·101 Бк на 1 кг массы тела. За изучаемый период концентрация 137Cs в организме колебалась от 0,6 мГр/год в 1962 г. приблизительно до 0,08 мГр/год в 1979 г. (Hanson, Palmer, 1965).
У пяти человек со случайно инкорпорированным 137Cs и подвергавшихся лечению изучали задержку радионуклида в теле. Установлено, что при отсутствии лечения составил 124, 54, 61, 36 и 36 сут, во время лечения Т1/2 снизился до 38, 39, 25, 17 и 16 сут. соответственно. Наиболее высокие уровни накопления радионуклида имели место в области шеи, грудной клетки, живота, таза и снижались по направлению к голове и нижним конечностям. Количество 137Cs, экскретированного с мочой за период лечения и выделенного естественным образом, составило 24 и 75% соответственно в сутки от обшей суточной экскреции. Поглощенные дозы составили 4, 3, 4, 3 и 11 мЗв. Показано, что величины Т коррелировали с возрастом и массой пациентов (Ruwei е. а. 1985).
Определение 137Cs в организме проводят по измерению γ-излучения от тела и β-, γ-излучению от выделений (моча, кал). Для этой пели используют бета-гамма-радиометры и человеческий счетчик (СИЧ). По отдельным пикам спектра, соответствующим различным γ-излучателям, можно определить их активность в организме. С целью профилактики радиационных поражений 137Cs все работы с жидкими и твердыми соединениями рекомендуется проводить в герметичных боксах. Для предупреждения попадания 137Cs и его соединений внутрь организма необходимо использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать правила личной гигиены.
На рабочем месте без разрешения санэпидемслужбы могут находиться открытые препараты цезия с активностью 0,37— 3,7 мБк (10—100 мкКи).
Неотложная помощь при остром поражении изотопами цезия.
Дезактивация рук и лица водой с мылом, моющими порошками «Эра», «Acтра», промывание носоглотки и ротовой полости водой или физиологическим раствором. Для ускорения выведения цезия из организма рекомендуют применять в качестве сорбентов: ферроцин, 1,0:100 мл воды, или бентонит, 20,0:200 мл воды, с последующим вызыванием рвоты (1%-ный апоморфин — 0,5 мл под кожу), или обильное промывание желудка водой. После очистки желудка повторное назначение курса лечения ферроцином (1,0 г 2—3 раза в сутки в течение 15—20 сут). В тяжелых случаях гемодиализ (применение аппарата «Искусственная почка»). Всемерное повышение водносолевого обмена. Назначение ацетата калия, 30,0: :200,0, по 1 столовой ложке 5 раз в день. Калиевая диета (изюм, курага) Внутривенное введение лимоннокислого натрия 10%-ного — 2— 3 мл. Мочегонные с водной нагрузкой. Внутрь димедрол 0,05 г, антибиотики (В. П. Борисов, В. Ф. Журавлев и др., 1968).
Допустимое поступление 137Cs в организм человека не должно превышать 7,4-102 Бк/сут. Допустимое годовое поступление 137Cs в организм персонала через органы дыхания составляет 13,32· 10'1 Бк/год. Допустимая концентрация 137Cs в воздухе рабочих помещений 5,18· 10“* Бк/л, в воде — 5,55· 102 Бк/л, в атмосферном воздухе 18,13·10'3 Бк/л.
