Применение радиоактивного излучения в сельском хозяйстве

Применение современных  достижений ядерной физики в животноводстве и ветеринарии, а также в других отраслях сельского хозяйства развивается  в следующих основных направлениях:

1) радионуклиды применяются  как индикаторы (меченые атомы)  в исследовательских работах  в области физиологии и биохимии  животных и растений, а также  в разработке методов диагностики  и лечения заболевших животных;

2) радионуклиды и ионизирующие  излучения используются в селекционно-генетических  исследованиях в области растениеводства,  животноводства, микробиологии и  вирусологии;

3) непосредственное применение  ионизирующих излучений как процесса  радиационно-биологической технологии (РБТ) для: 

- стерилизации, консервирования,  увеличения сроков хранения и  обеззараживания пищевых продуктов  и фуража, сырья животного происхождения  (шерсть, кожа, пушнина и т. д.), биологических и фармакологических  препаратов (вакцины, сыворотки,  питательные среды, витамины и  т. д.), хирургического шовного  и перевязочного материалов, приборов, устройств и инструментария, которые  не подлежат температурной и  химической обработке;  
-стимуляции роста и развития животных и растений с целью повышения хозяйственно полезных качеств; 
- борьбы с вредными насекомыми и оздоровления окружающей среды; 
- стерилизации животноводческих стоков и др.

Использование ионизирующих излучений для диагностики  болезней и лечения животных. 
Радионуклиды и ионизирующие излучения для диагностических и лечебных целей успешно и широко применяются в медицине. В ветеринарии эти способы пока еще малодоступны для практического использования, хотя и имеется ряд разработок, показывающих высокую их эффективность и перспективность. Лечебное применение радиоизотопов и излучений основано на их биологическом действии. Поскольку наиболее радиопоражаемы молодые, энергично размножающиеся клетки, то радиотерапия оказалась эффективна при злокачественных новообразованиях. Как показали исследования и клинические наблюдения, нейтроны и другие плотноионизирующие частицы более эффективны в радиотерапии опухолей, так как они действуют одинаково как на гипоксические, так и оксигенированные опухолевые клетки. Кроме того, при действии нейтронов отсутствуют различия в радиочувствительности клеток на разных фазах клеточного цикла, что является преимуществом этого вида воздействия с точки зрения эффективности лучевой терапии. Но главным преимуществом нейтронов является их высокая биохимическая эффективность по отношению к гипоксическим клеткам, повышающая надежность лучевой терапии вследствие более радикального уничтожения опухолевых клеток.

Все сказанное свидетельствует  о перспективности использования  нейтронов наряду с другими тяжелыми заряженными частицами для лечения  опухолей. Перспективен, но пока еще мало разработан метод лечения опухолей нейтронами (нейтронзахватная терапия), позволяющей «обстрелять» опухоль изнутри α-частицами. Сущность его состоит в создании альфа-источника в толще самой опухоли. Для этого предварительно в организм вводят тумотропный нейтрон - захватывающий агент в виде стабильного изотопа бора-10 или лития-6. Затем подвергают опухоль многопольному нейтронному облучению. Указанные изотопы, захватив нейтроны, приобретают радиоактивные свойства, испускают α-частицы. Обладая большой плотностью ионизации, но коротким пробегом (не более 15 мкм), α-частицы не вылетают за пределы опухолевых клеток, воздействуют на них, не повреждая окружающие здоровые ткани. Достоинство метода заключается еще в том, что альфа-излучение можно дозировать, так как оно прекращается одновременно с прекращением нейтронного облучения.

Использование ионизирующих излучений в сельском хозяйстве. 
Исследования действия ионизирующей радиации на биологические объекты в зависимости от дозы, мощности облучения и состояния облучаемого объекта послужили основой разработки и внедрения в сельское хозяйство радиационно-биологической технологии. В качестве источников излучения избраны кобальт-60 и цезий-137. Они имеют длительный период полураспада; сравнительно высокую проникающую способность гамма-излучения, которая не дает наведенной радиоактивности в облучаемых объектах; физико-механические свойства, позволяющие длительно эксплуатировать элементы в радиационно-биологических установках. 
В России для нужд сельского хозяйства и научных исследований в области радиационно-биологической технологии создан целый ряд передвижной стационарной техники. Передвижные гамма-установки типа «Колос», «Стебель», «Стерилизатор» смонтированы на автомашинах или автоприцепах. Они предназначены для предпосевного облучения семян зерновых, зернобобовых, технических и других культур в условиях колхозов и совхозов.

Стационарная опытно-промышленная гамма-установка «Стерилизатор» —  для стерилизации в промышленных масштабах нитей, используемых в  хирургии (кетгут, шелк, нейлон и др.), перевязочных материалов и инструментов, изделий из пластмассы (шприцы, катетеры, системы сбора и переливания  крови), лекарственных препаратов (витамины, антибиотики, сульфаниламиды, вакцины, сыворотки и т. д.).

В России получены хозяйственно ценные мутанты сои, кукурузы, люпина, гречихи, гороха, фасоли, хлопчатника (АН-402 и АН-40), раннеспелые томаты, раннеспелый  и устойчивый к фитофторе картофель, морозостойкие мутанты яблони и  вишни и многие другие. 
В США внедрен устойчивый к болезням сорт арахиса, в Японии — скороспелый сорт сои (Райден) и высокоурожайный сорт риса (Рей-Мей), в Аргентине — крупноплодный сорт персиков, в Индии и Швеции — сорта пшеницы с повышенным содержанием протеинов, в Венгрии — скороспелый мутант риса. 
С помощью радиомутации удалось вывести новую разновидность шелкопряда с более высокой продукцией шелкового волокна. 
Облучением культур дрожжей выведены их расы, вырабатывающие в 2 раза больше эргостерина, чем исходные. Такое наследственно закрепленное изменение обмена веществ имеет большое значение для витаминной промышленности.

Комбинированным воздействием радиации и химических мутагенов  выведено много штаммов высокоактивных плесневых грибов-продуцентов пенициллина, стрептомицина, ауреомицина, эритромицина и альбомицина, которыми теперь располагает промышленность. Некоторые штаммы дают выход стрептомицина в 20, а пенициллина в 50 раз больше исходных рас. Это позволило организовать промышленное производство антибиотиков и сделало их широко доступными препаратами. 
Значительный интерес представляют изменения вирулентности микроорганизмов и их способность образовывать токсины под действием ионизирующих излучений. Данные изменения могут быть стойкими, закрепленными наследственно. Такие авирулентные мутанты используются для разработки вакцин.

В определённом диапазоне  доз ядерные излучения обладают стимулирующим действием. Такая  стимуляция обнаруживается у всех биологических  объектов, начиная с одноклеточных  и кончая высокоорганизованными  растениями и животными. Наиболее широко стимулирующий эффект используется в растениеводстве в целях: повышения  вегетации у семян труднопрорастаемых или с пониженной всхожестью; ускорения развития растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур при культивировании в открытом и закрытом грунтах; улучшения прививаемости и дальнейшего развития черенков в виноградарстве и плодоводстве. 

Многолетние производственные испытания предпосевного облучения  семян кукурузы, картофеля, свеклы, зерновых и других культур в различных  республиках нашей страны показали возможность повышения урожая семян  и зеленой массы на 15—20%. Следовательно, только за счет внедрения этого агроприема можно получить в масштабах страны большой экономический эффект без расширения посевных площадей.

Стимулирующее действие ионизирующего  излучения используют при разведении лекарственных растений для ускорения  роста и увеличения выхода лекарственно-ценного  вещества (алкалоидов и др.). 
Радиостимуляцию изучают в скотоводстве, свиноводстве и птицеводстве. Однако наиболее широкие исследования были проведены в птицеводстве.

Радиационная (холодная) стерилизация материалов и препаратов медицинского и ветеринарного назначения, не выдерживающих  термической или химической обработки  или теряющих при этом свои функциональные свойства, имеет большое значение. Широкое использование сульфаниламидов  и антибиотиков в медицине и ветеринарии  обусловливает особый интерес к  стерильности этих препаратов и способам стерилизации их. Сульфаниламиды, обладая  высокой радиорезистентностью, без  особых трудностей подвергаются радиационной стерилизации. При дозе 2,5 Мрад и  выше не возникает никаких изменений  у этих лекарственных веществ; незначительные физико-химические изменения были отмечены лишь при облучении дозой 25 Мрад. Антибиотики, стерилизованные радиационным способом в сухом виде, по терапевтической эффективности, биологическим и основным физико-химическим показателям отвечают требованиям, предусмотренным для необлученных препаратов.

Испытывалась возможность  стерилизации радиационным способом гормонов, ферментов, витаминов. Оказалось, что  гормоны обладают более высокой  радиорезистентностью по сравнению  с витаминами. Облучение гормонов (кортизон, преднизолон, прогестерон и др.) в дозах, значительно превышающих стерилизующие дозы (6—8 Мрад), не вызывало изменений их химических и биологических свойств. Из ферментов наиболее радиорезистентными были протеолитические (трипсин, пепсин, инвертаза и др.).

Высокой радиочувствительностью обладают витамины группы В, особенно если их облучают в растворах. Дозы облучения от 0,5 до 2,5 Мрад изменяют цвет препарата и снижают его биологическую активность. Однако облучение таблеток поливитаминных препаратов, содержащих фолиевую и никотиновую кислоты, тиамин, рибофлавин, пантотенат кальция дозами в пределах 2 Мрад, не изменяло свойств препарата и не снижало его активности в течение 4 лет в условиях хранения при комнатной температуре. 
Изучается возможность радиационной стерилизации крови и препаратов, изготовленных из нее. Получены обнадеживающие результаты, которые позволяют применить ионизирующие излучения для стерилизации крови и белковых растворов.  
Несмотря на относительно высокую радиорезистентность микроорганизмов, оказалось возможным использовать ионизирующие излучения для получения принципиально новых препаратов — радиовакцин и радиоантигенов, а также для лучевой стерилизации уже готовых вакцин, бактериальных антигенов и питательных сред. 
Накоплен большой опыт по инактивации многих известных вирусов и имеются данные о дозах облучения, убивающих их. Установлена возможность использования радиации для стерилизации вакцин и приготовления анатоксинов.

Перспективными оказались  попытки использования живых  радиовакцин при гельминтозах — иммунизация телят и ягнят против нематод путем заражения животных личинками, ослабленными рентгено- или гамма- облучением. Проводят работы по созданию радиовакцин против протозойных заболеваний сельскохозяйственных животных. 
Есть данные, указывающие на то, что радиационная стерилизация питательных сред не только не понижает питательных свойств, но даже в той или иной степени повышает их качество для некоторых видов микроорганизмов. 
Исследования последних лет показали экономическую целесообразность применения ионизирующих излучений для обеззараживания сырья животного происхождения — шерсти, пушно-мехового, кожевенного и другого сырья, неблагополучного по инфекционным болезням.

Разработаны режимы радиационного  обеззараживания сырья при сибирской  язве, листериозе, трихофитии и микроспории, чуме плотоядных, ящуре. Определены параметры гамма-установки для радиационного обеззараживания шерсти, кожевенного и пушно-мехового сырья, волос, пуха и пера. 
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Комиссия ООН по вопросам пищи и сельского хозяйства одобрили использование ионизирующего излучения для обработки пищевых продуктов с целью стерилизации и лучевого консервирования, а также обеззараживания мясных туш при паразитарных поражениях (трихинеллезе и др.). 
Проведенные исследования лучевой стерилизации пищевых продуктов и по продлению сроков их хранения показывают, что этот прием будет применяться, хотя он и сопровождается некоторыми биохимическими изменениями продуктов, частичной потерей витаминов и изменениями органолептических свойств. В настоящее время ионизирующие излучения рекомендуют применять при хранении мяса, полуфабрикатов и кулинарных изделий из них, рыбы и других продуктов моря, пищевого картофеля, лука и прочих корнеплодов в весенне-летние месяцы, скоропортящихся ягод и фруктов на сроки их транспортировки от производителя к потребителю, концентратов фруктовых соков и т. д.  
Радиационная технология обработки и хранения продуктов основана на подавлении микробиальной обсемененности (радуризация) или радиационной стерилизации (радаппертизация). Одной из сложных и недостаточно решенных проблем на животноводческих комплексах является обеззараживание навоза и навозных стоков. Проведенные исследования подтвердили перспективность метода обеззараживания их с помощью гамма-излучения и ускоренных электронов. 

Наиболее эффективным  и экономически выгодным оказалось  комбинированное воздействие ионизирующего  излучения и физических (тепло, давление) или химических факторов, так как  при этом удается значительно  снизить обеззараживающую дозу для  яиц гельминтов и микроорганизмов. Разработана технология обеззараживания  навозных стоков на основе использования  ионизирующего излучения (гамма-излучения  или электронов), давления и температуры. 
Известно, что борьба с вредителями сельскохозяйственных растений и собранного урожая — дело исключительной важности, поскольку дает возможность сохранить очень большое количество продукции (около 20% валового сбора). Для борьбы с насекомыми-вредителями предложено использовать ионизирующее излучение в трех основных направлениях: 
а) радиационной половой стерилизации самцов насекомых, специально отловленных или разведенных и затем выпущенных в естественные условия, где данный вид насекомых распространен; стерильные самцы спариваются с самками, те откладывают стерильные(неоплодотворенные) яйца; личинки из таких кладок не выводятся, что приводит к уничтожению популяции; 
б) радиационной селекции болезнетворных для насекомых-вредителей микроорганизмов, грибов и др.; на полях, обработанных такими препаратами, многие насекомые-вредители заболевали и гибли;  
в) радиационной дезинсекции, т. е. уничтожения насекомых-вредителей сельскохозяйственной продукции облучением. Для этих целей создана передвижная гамма-установка «Дезинсектор», а в условиях элеваторов функционируют промышленные стационарные устройства.