wirkung niedriger strahlendosen auf pflanzen und tiere oder warum brauchen wir strahlenschutz für...
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Wirkung niedriger Strahlendosen auf Pflanzen und Tiere
oderWarum brauchen wir Strahlenschutz für
Flora und Fauna?
G. Pröhl, H.G. ParetzkeGSF-Institut für Strahlenschutz
Neuherberg
68. Physikertagung der DPGMünchen, 23. März 2004
Wirkung von Röntgenstrahlung auf das Wachstum von Arabidopsis
“Gute Erde”
“Sandkultur”
Schutzobjekt Mensch: Grenzwert für Ableitungen von Radionukliden in die Umwelt
• ICRP 60 (1990): Strahlenexposition des Menschen durch Ableitungen von Radionukliden in die Umwelt: max: 1 mSv/a
• Übernahme des Grenzwertes in – EU-Grundnormen (1996)– Deutsche Strahlenschutzverordnung (2002)
Schutzziele
• Mensch– Schutz des Individuums:
Begrenzung der Individualdosis zur Vermeidung von akuten und Minimierung von stochastischen Schäden
• Flora und Fauna– Schutz der Art– Erhaltung der
Funktionalität von Ökosystemen
Wichtige Endpunkte
• Mensch– Stochastische
Effekte
• Flora und Fauna– Deterministische Effekte
• Verringerte Fortpflanzungsfähigkeit
• Morbidität• Mortalität
Strahlenwirkungen für Flora und Fauna
• Schwelle für statistisch signifikante Effekte– oberhalb von 100 µGy/h (ca. 1 Gy/a)
• Sehr deutliche Effekte:– Chronische Bestrahlung (Expositionszeit
~ Lebenszeit) mit Dosisraten > 1000 µGy/h (ca. 10 Gy/a)
Strahlenschäden an Bäumen in Kysthim (UNSCEAR 1996)
Sr-90 Aktivität(MBq/m²)
Dosis, (Gy) Nadeln
Dosis, (Gy) Knospen
Wirkung
1,5-1,8 5-10 2-4 Vertrocknung von NadelnAbsterben von Pollen und SamenReduktion des Wachstums
3,7-4,4 10-20 5-10 95 % der Nadeln vertrocknet6,3-7,4 20-40 10-20 Nadelbäume: Vollständiges Absterben37-59 - 40-60 Birke: Vertrocknung des oberen
Kronenbereiches: alte B.1% junge B. 30%Reduktion des Wachstums
92-140 - 100-150 Birke: Vertrocknung des oberen Kronenbereiches: alte B.30%, junge B. 75%Reduktion des Wachstums
Dose rate (Gy h-1) Effects after chronic gamma-exposure to mice (Larsson et al. 2003) Umbrella effect
<100 No detrimental effects have been described. Morbidity MortalityReproduction
100–1,000 Life shortening. Mortality
Reduction of mean number of litters per female; higher mortality between birth and weaning; reduction in number of primary oocytes.
Reproduction
Irradiation during 3 consecutive generations increased the % of sterile mice and the % of early deaths and decrease the mean litter size.
Reproduction
Increased % of sterile pairs; reduced mean offspring sired and weaned. Reproduction
(1–5) x 103 Increased mortality ratio (the effect was dependent on the mice strain used); decreased mean after survival.
Mortality
Irradiation in 2nd week after birth reduced the fertility and the litter size. Reproduction
Irradiation during 4 to 90 days reduced the fertility span, the germ cells per ovary and the testis weight.
Reproduction
Increased mutation frequency at 7 specific loci in mouse spermatogonia. Mutation
(5–10) x 103 Life shortening after exposures of 68 days or longer. Mortality
Increased paternal expanded simple tandem repeat (ESTR) mutation rate and paternal mutation per offspring band at loci MMS10 + Ms6-hm+Hm-2.
Mutation
>10 x 103 Increased mortality ratio (dependent on the strain used). Mortality
Wie berechnet man Strahlenexpositionen für Flora und Fauna ?
• Berechnung der absorbierten Dosis• Interne Exposition:
• Externe Exposition :
tgCFCD etargtetargtmediummediumernint
tgCD geometry,etargtmediumextern
Vorgehensweise• Definition von Referenzorganismen• Definition von Expositionsbedingungen
– Interne Exposition– Externe Exposition
• Strahlentransport-Rechnungen für monoenergetische Strahlung
• Ableitung von nuklidspezifischen Dosiskonversionsfaktoren– Interne Exposition– Externe Exposition
Auswahl von Referenzorganismen
• Art, Gattung • Größe und Form• Lebensraum• Mögliche Akkumulation von Radionukliden• Potentiell hohe externe Exposition• Potentiell hohe Strahlenempfindlichkeit• Funktion im Ökosystem
Definition von Referenzorganismen• Verschiedene Lebensräume
– Terrestrisch• Wald • Landwirtschaft
– Extensive Bewirtschaftung– Intensive Bewirtschaftung
• Feuchtgebiete
– Aquatisch• Flüsse• Seen• Meere
Selected Reference OrganismsTerrestrial Ecosystems Aquatic ecosystems
Soil micro-organisms Soil invertebrates, ‘worm’Plants and fungiBurrowing mammals BryophytesGrasses, herbs and crops, shrubsAbove ground invertebratesHerbivorous mammalsCarnivorous mammalsReptilesVertebrate eggsAmphibiansBirds Trees, invertebrates
Benthic bacteria Benthic invertebrates, ‘worm’MolluscsCrustaceansVascular plants AmphibiansFishFish eggsWading birdsSea mammals PhytoplanktonZooplanktonMacroalgaeFishSea mammals
Radiation weighting factors for -radiation
• 20 recommended by ICRP were derived for stochastic effects in humans, =>=> questionable for application in non-human-dosimetry
• 5 suggested by UNSCEAR (1996) for deterministic effects in biota
• 40 used by Environment Canada (2000) due to a persistent genetic instability in haemopoitic stem cells
• 5-10 is suggested by Kocher and Trabalka (2000)• RBE=10 is assumed for illustration purposes
Radiation weighting factors
• radiation– UNSCEAR (1996), ICRP : RBE=1 for all energies– Environment Canada (2000), UK-EA (2001)
E > 10 keV: RBE =1– E < 10 keV: RBE =3
• radiation– All energies: RBE =1
Tiere: Externe Exposition Strahlen-quelle
Lebens-raum des
Tieres
Strah-lenart
Dicke der konta-
minierten Schicht
(m)
Energie Größe des
Tieres
Geo-metrie
Entfernung Boden - Tier
(m)
Boden
Boden
0.5 10 keV-2MeV
100 µm –10cm
Ellipsoid
N/A
0.1, 0.5,1.050 keV-2 MeV
Boden-ober-fläche
0.5 10 keV-2MeV 1cm,
10 cm, 1m
0.01 - 1
0.1, 0.5,1.050 keV-2 MeV
0.01 - 10
Pflanzen: Expositionsbedingungen
Planzenart Höhe Zielorgan Höhe des Zielorgans über dem Boden
Gras 0-0.1 m Meristem Am Boden (0m)
Strauch 0.1-1 m KnospeMitte des
Pflanzenbestandes (0.55 m)
Baum 1-10 m KnospeMitte des
Pflanzenbestandes (5.5 m)
Pflanzen: Strahlenquellen und Endpunkte Strahlenart
Strahlenquelle Endpunkt
Homogene Verteilung im
Bestand
Mittlere Dosis im Bestand
Mittlere Dosis in
Knospen und MeristemAktivität auf oder im Zielorgan
Externe Exposition für Bodentiere Kont.Schicht: 50 cm, Tier in 25 cm Tiefe, 1,6
g/cm³
0.01 0.1 1 1010-15
10-14
10-13
10-12
woodlouse earthworm mouse mole snake rabbit fox
DC
C (G
y pe
r pho
ton/
kg)
Photon source energy (MeV)
Absorbierte Bruchteile für Elektronen
Absorbierte Bruchteile für Photonen
External background exposureRadio- Soil
Nuclideacti-vity
Earth-worm Mouse Fox
Row deer Cattle
(Bq/kg)K-40 400 1.2E–2 1.2E–2 1.0E–2 8.3E–3 3.8E–3Po-210 35 6.1E–8 6.0E–8 5.0E–8 4.0E–8 1.6E–8Pb-210 35 1.2E–5 1.2E–5 9.1E–6 5.1E–6 9.9E–7Ra-226 35 1.2E–2 1.2E–2 1.0E–2 8.1E–3 3.6E–3Th-232 30 2.9E–6 2.8E–6 2.1E–6 1.2E–6 2.3E–7Th-228 30 8.7E–3 8.6E–3 7.4E–3 6.0E–3 2.8E–3Th-234 35 1.6E–4 1.6E–4 1.3E–4 1.0E–4 3.9E–5U-234 35 4.1E–6 4.0E–6 3.1E–6 1.7E–6 3.2E–7U-238 35 3.0E–6 3.0E–6 2.3E–6 1.2E–6 2.1E–7
3.3E-02 3.3E–2 2.8E–2 2.3E–2 1.0E–2
0.29 0.24 0.24 0.2 0.09Total dose (mGy/a)
All nuclides
Organism on soil
DCC (µGy/h per Bq/kg)
Total dose (µGy/h)All nuclides
Internal background exposureOrgan/tissue
U-238 Th-230 Ra-226 Pb-210 Po-210 Th-232 Th-228 K-40Muscle 0.002 0.002 0.015 0.08 0.06 0.001 0.001 90Grain 0.02 0.01 0.08 0.05 0.06 0.003 0.003 120Roots 0.003 0.0005 0.03 0.03 0.04 0.0005 0.0005 110Beef (bone) 10Liver (beef) 2.6 1.9 85Eggs (hen) 20 20 40
Exposition: mGy/a, RBE(a)=10Muscle 4.2E-04 4.7E-04 0.02 1.7E-04 0.02 2.0E-04 1.6E-03 0.23Grain 4.2E-03 2.4E-03 0.10 1.1E-04 0.02 6.0E-04 4.7E-03 0.30Roots 6.3E-04 1.2E-04 0.04 6.3E-05 0.01 1.0E-04 7.9E-04 0.28Beef (bone) 12Liver (beef) 0.01 0.52 0.22Eggs (hen) 0.04 5.43 0.10
Activity concentration (Bq/kg)
Exposures in the 30 km-zone of Chernobyl (Bondarkov et al.)
• Deposition (MBq/m²)– 137Cs: 1 – 90Sr: 0.4
• Activities in small mammals– 137Cs (soft tissues): 1-30 kBq/kg – 90Sr: (bone): 2-5 kBq/kg
• Exposure, external+internal (mGy/a)– 137Cs: 24-57 – 90Sr: 4-10
Radon exposure of soil animals (Macdonalds & Laverock, 1998)
Mole 0,04 0,45 0,45 0,1Gopher 0,2 0,95 0,05Squirrel 0,5 0,45 0,45 0,1Hog 3 0,4 0,3 0,3Badger 8 0,35 0,25 0,4
70027013090
Mean (mGy/a)
460Species
Mass (kg)
ActivityUnweighted
lung exposureHiberna-
tionIn
burrowOut of burrow
Zusammenfassung • Schutz von Arten und Ökosystemen, nicht Individuen• Betrachtung deterministischer Effekte, insbesondere
Reproduktion• Exposition kann aus Größe und Kontamination des
Organismus und seiner Umgebung abgeschätzt werden• Hintergrundexposition von Flora und Fauna vergleichbar
mit der des Menschen, wenn das gleiche Ökosystem besiedelt wird
• Hohe Lungenexpositionen für Bodentiere durch Radon • Langfristige Wirkung von Strahlung bei höheren
Expositionen auf Ökosysteme noch unklar