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