Стронций: факты и фактики

Откуда он взялся? У элемента 38 в таблице Менделеева имеется четыре стабильных изотопа: ⁸⁸Sr (83% всех атомов), ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr и ⁸⁷Sr. При этом только три первых пришли из первичной туманности, сформировавшей планеты Солнечной системы. Изотоп ⁸⁷Sr имеет более сложное происхождение: часть его атомов появилась из ⁸⁷Rb, период полураспада которого — 48 млрд. лет. Из 29 радиоактивных изотопов наиболее значимы ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr, поскольку они получаются в ядерном реакторе при распаде урана и плутония. Первый изотоп живет недолго, период полураспада у него составляет 51 день, у второго — 28,78 лет.

Как связано поступление радиоактивного стронция в окружающую среду с ядерной энергетикой? Связано напрямую: цезий-137 и стронций-90 — наиболее массовые долгоживущие изотопы, попадающие в атмосферу, воду и почву как при взрыве атомной бомбы, так и при аварии на атомной станции. Самое сильное загрязнение этим элементом вызвали ядерные испытания в атмосфере, которые продолжались с 1945 по 1980 год: они дали 1020 Бк ⁸⁹Sr и 1018 Бк ⁹⁰Sr (один беккерель — один распад в секунду). Аварии дают в тысячи раз меньшие дозы. Так, в речку Теча на Южном Урале в результате работы комбината «Маяк» и аварии на нем в 1957 году попало 1015 Бк ⁹⁰Sr. Чернобыльская катастрофа в 1986 году дала 1017 Бк ⁸⁹Sr и 1016 ⁹⁰Sr. Взрывы и утечки воды из станции в Фукусиме в 2011 году доставили только в Тихий океан 1015 Бк ⁹⁰Sr. Иными словами, с начала атомной эры наша планета живет в условиях постоянного притока рукотворного радиоактивного стронция, периодичность же этих выбросов, сравнимая с периодом полураспада, обеспечивает его накопление в воде и почве.

Неизбежно атомы ⁹⁰Sr попадают в организмы живых существ, где могут оставаться на всю жизнь. О попадании радиоактивного стронция в организм человека можно судить, изучая эмаль молочных зубов. В частности, американские исследователи установили, что у младенцев, рожденных во время пика ядерных испытаний в атмосфере — 1964 год, — содержание ⁹⁰Sr в эмали зубов выросло в 55 раз по сравнению с младенцами 1949—1950 годов рождения: 7,4 и 408,1 мБк ⁹⁰Sr на грамм кальция. В 1969 году, после прекращения массовых взрывов в атмосфере, его содержание упало на 50% по сравнению с пиком. Затем до 1989 года наблюдалось дальнейшее снижение, и минимальное значение в 1986 году составило 109 мБк ⁹⁰Sr на грамм кальция — очень далеко от доядерного значения.

А потом, уже в 90-х годах, начался рост, и к концу XX века в эмали зубов новорожденных американцев было 162 мБк ⁹⁰Sr на грамм кальция. Поскольку в то время массовые ядерные испытания никто уже не проводил, а последствия Чернобыля сгладились за три года, причины роста не ясны. Есть мнение, что он связан с увеличением выработки электроэнергии на атомных станциях, из-за чего растет и загрязнение окружающей среды («The Science of the Total Environment», 2003, 317, 37—51; doi:10.1016/ S0048-9697(03)00439-X). Мнение основано на том факте, что в эмали зубов детей, рожденных в пределах 20-мильной зоны вокруг атомных станций, уровень ⁹⁰Sr в полтора-два раза превышает средние показатели по соответствующему штату. Если эта точка зрения верна, то радиоактивный стронций связан не только с авариями, но и с повседневной жизнью атомной энергетики.

Почему содержание стронция измеряют относительно кальция? Будучи щелочноземельным элементом, в организме он замещает кальций, именно степень такого замещения и оценивают. А поскольку кальций в организме сосредоточен в костях, то и стронций оказывается там же.

Чем опасен радиоактивный стронций? ⁹⁰Sr и ⁸⁹Sr излучают бета-электроны, которые проникают в окружающую ткань примерно на сантиметр. Кроме того, продуктом распада первого служит радиоактивный ⁹⁰Y — обладая периодом полураспада 64 часа, он вскоре испускает еще один бетаэлектрон и становится стабильным ⁹⁰Zr. В костной ткани оба изотопа стронция прежде всего представляют опасность для костного мозга — источника кровяных телец. Как следствие, при большой дозе облучения может развиваться лейкемия, а при средней — снижается иммунитет, появляются апатия и усталость. Именно такие симптомы наблюдались у жителей поселков в зоне загрязнения, созданной стоком опасных веществ с комбината «Маяк». Что происходит в организме при малом содержании радиоактивного стронция в костях, доподлинно неизвестно: спор о том, обладают ли малые дозы облучения стимулирующим или угнетающим эффектом и какие дозы следует считать малыми, далек от завершения.

Медики констатировали серьезное снижение здоровья населения страны в годы, последовавшие за Чернобыльской аварией, однако причиной считают резкое падение уровня жизни, вызванное радикальными экономическими преобразованиями. В пользу этой точки зрения можно отметить, что уровень здоровья падал по всей территории СССР, а не только в зонах, пострадавших от аварии. Однако менее известно, что с первых дней после аварии ив течение нескольких лет для спасения сельского хозяйства зерно, молоко и мясо из пострадавших районов смешивали с чистой продукцией, чтобы достичь безопасных уровней радиоактивного загрязнения, и распределяли по всей территории страны. Короткоживущий иод, пока молоко путешествовало на Дальний Восток, успевал распасться, радиоактивный цезий, будучи аналогом калия, в организме долго не задерживается, стронций же неизбежно оказывался в костях и по-прежнему вызывает слабое внутреннее облучение у всех граждан страны соответствующего возраста. У тех, кто в то время были детьми, уровень должен быть несколько выше, поскольку в растущих костях стронций охотнее замещает атомы кальция.

В любом случае нельзя забывать, что ядерные испытания в атмосфере обеспечили такой общепланетарный уровень загрязнения радиоактивным стронцием, который еще долгие десятилетия будет в несколько раз выше, чем последствия всех аварий на атомных станциях. На Филиппинах и атомных станций нет, и от мест аварий их отделяют многие тысячи километров, но в эмали зубов современных филиппинцев содержится 79 мБк ⁹⁰Sr на грамм кальция, что в десять раз больше, нежели американский доядерный уровень. А облучение организмов землян в конце концов зависит от накопления стронция в продуктах питания.

Как накапливается стронций в организмах? Занимая двенадцатое место по распространенности в земной коре, стронций (как стабильный, так и радиоактивный) неизбежно присутствует и в почве, и в воде. Различия здесь могут быть велики: в литре канадской питьевой воды содержится 0,199—3,2 мг стронция, в норвежской — 0,0015—0,57 мг, а в немецкой бутилированной — 0,036—24,5 мг. Растения в среднем содержат 36 мкг стронция на грамм сухого веса, причем главным образом в подземной части. Что касается надземных частей, больше всего его в орехах (8,67 мкг), хлебе (3,7 мкг) и зелени (1,6 мкг). Морепродукты также обогащены стронцием: в грамме рыбы содержится 3,6 мкг этого элемента. В мясе животных ив молоке стронция совсем мало — менее 1 мкг на грамм. Зато в костях его много, причем содержание сильно зависит от диеты. Так, древние охотники-собиратели с побережья Алабамы питались моллюсками, и в их костях оказалось 460 мкг стронция на грамм кости, а у проживавших неподалеку на берегу Миссисипи земледельцев — 250 («Journal of Archaeological Science», 1981, 8, 4, 391—397). Вообще-то такое распределение нетипично, обычно стронция в костях охотников меньше, чем у земледельцев (в частности, по этому признаку археологи определяют рацион древних людей); но этот факт лишний раз свидетельствует о повышенном содержании стронция в мясе морских обитателей. Современный человек потребляет 1,5 мг стронция в день; при среднем весе 70 кг в его теле содержится 320 мг стронция.

Накапливается ли стронций в грибах? Грибы, в отличие от растений, могут проявлять себя как гипераккумуляторы металлов — их содержание в плодовом теле бывает в десятки раз больше, чем в почве. Поэтому в грибах может оказаться повышенное содержание радиоактивных элементов. Но не стронция: немногочисленные исследования не обнаружили ни в каких съедобных грибах концентрацияю этого элемента, превышающую допустимые значения («Applied Microbiology and Biotechnology», 2013, 97, 2, 477—501; doi:10.1007/s00253-012-4552-8, полный текст).

Какую роль играет стронций в организме? Он не принадлежит к числу жизненно важных элементов, однако играет значительную роль в регуляции синтеза костей. При небольшой дозе эта роль оказывается положительной прочность костей растет. При большой же, если человек живет на земле, богатой стронцием, может развиться рахит и даже карликовость.

Участие стронция в биосинтезе костей обеспечило ему очень важное применение. Примерно в 1952 году было обнаружено, что лактат стронция способствует укреплению костей. Тогда на это сообщение никто внимания не обратил, поскольку у элемента была дурная репутация, и медики скорее пытались от него избавиться, чем создать на его основе лекарство. Но в XXI веке ситуация изменилась. Сначала на животных, а потом и в клинических испытаниях было доказано, что ранелат стронция — его соединение с органической ранеловой кислотой, хелатирующей ионы металлов, — повышает плотность костной ткани и ее прочность. Механизм действия ясен не до конца, но в качестве рабочей гипотезы принято, что стронций тормозит деятельность остеоцитов — клеток, разрушающих костную ткань, и ускоряет развитие остеобластов — клеток, ее производящих. Вообще-то в здоровом организме между ними существует баланс, обеспечивающий постоянное обновление кости. Если же он нарушен, начинается остеопороз, столь осложняющий жизнь пожилым людям, особенно женщинам: раз начавшись, охрупчивание костей приводит в конце концов к неизбежной операции по замене тазобедренного сустава. Ежедневный прием одного-двух граммов ранелата стронция не только тормозит процесс, но и увеличивает костную массу. Более того, выращенная под влиянием стронция кость имеет несколько другую структуру и более прочна, что значительно снижает вероятность перелома. Прием препарата позволяет 75-летним женщинам, страдающим остеопорозом, сэкономить до 15,5 тысяч евро в год на медицинском обслуживании («Bone», 2010, 46, 2, 440—446). Успех с укреплением шейки бедра позволил повести широкое наступление на схожие болезни, и уже появились сообщения, что ранелат стронция замедляет разрушение хряща в коленном суставе. Нанесение покрытия, содержащего стронций, на титановый имплантат зуба также ускоряет образование вокруг него костной ткани и повышает ее прочность. Изучают реминерализацию эмали зубов при совместной их обработке стронцием и фтором.

Как лечат радиоактивным стронцием? При некоторых видах рака — простаты, груди, легких — возникают болезненные метастазы в костях. Поскольку стронций откладывается прежде всего в растущих частях кости, он оказывается рядом с новой опухолью. Если этот стронций будет радиоактивным, он убьет опухолевые клетки. Именно на таком принципе работает препарат на основе ⁸⁹Sr.

Как стронций применяют в технике? Самое первое использование стронция — фейерверки и сигнальные ракеты: его соли окрашивают пламя в ярко-малиновый цвет. На основе его оксида делают глазурь для гончарных изделий, которая позволяет отказаться от использования свинцовой глазури. Поскольку стронций неплохо поглощает рентгеновские лучи, до недавнего времени его в основном применяли для изготовления стекла мониторов с электронно-лучевой трубкой. Теперь, из-за пришедших им на смену жидкокристаллических дисплеев, такое стекло уже не нужно. Зато нужны ферриты с оксидом стронция для небольших электромагнитов — тех самых, которые стоят ив маленьких электродвигателях постоянного тока, например для дворников автомобиля, и в громкоговорителях, и в игрушках. Титанат стронция — уникальный оптический материал, показатель преломления которого и, следовательно, дисперсия света выше, чем у алмаза.

Ну а долгоживущий радиоактивный ⁹⁰Sr служит источником электроэнергии для космических кораблей, метеорологических станций и навигационных буев.