Radiation biology. RadioecologyRadiation biology. RadioecologyРадиационная биология. Радиоэкология0869-80313034-5898The Russian Academy of Sciences66113410.31857/S0869803123020091EOZZTYRadioecologyРадиоэкологияDosimetric Indicators of Damage to the Digestive Tract of Monogastric Animals by Incorporated Radioactive ParticlesДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОРАЖЕНИЯ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА МОНОГАСТРИЧНЫХ ЖИВОТНЫХ ИНКОРПОРИРОВАННЫМИ РАДИОАКТИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИShapovalovS. G.ШаповаловС. Г.shapovalovstanislav93@gmail.comKozminG. V.КозьминГ. В.shapovalovstanislav93@gmail.comRussian Institute of Radiology and AgroecologyВсероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии0103202363215717125022025Copyright ©; 2023, С.Г. Шаповалов, Г.В. КозьминCopyright ©; 2023, С.Г. Шаповалов, Г.В. Козьмин2023С.Г. Шаповалов, Г.В. КозьминС.Г. Шаповалов, Г.В. Козьминhttps://journals.eco-vector.com/0869-8031/article/view/661134

The analysis of dosimetric parameters of internal irradiation and biological effects in monogastric animals (rats, guinea pigs, pigs) caused by orally received “hot” radioactive particles causing ulcerative necrotic lesions of the gastrointestinal tract is presented. Mathematical models of particle transport and formation of absorbed doses in the digestive tract have been developed. The features of the deep distribution of absorbed doses in the mucous membrane depending on the spectral characteristics of β-radiation of radionuclides that are part of silicate particles are given. It is shown that the main factors in the formation of ulcerative lesions of the digestive tract were the uneven distribution of particles in the contents and the concentration of particles in certain areas of the mucous membrane, followed by the formation of high local dose loads. A dosi-metric scale of extremely severe, severe, medium and mild acute radiation ulcerative gastroenterocolitis is proposed, which allows extrapolating the results of model experiments on scenarios of radioactive contamination of the environment by particles of various genesis. The results obtained can be taken into account in the tasks of radiation safety.

Представлен анализ дозиметрических параметров, вызывающих язвенно-некротическое поражение желудочно-кишечного тракта моногастричных животных (крысы, морские свинки, свиньи), обусловленное перорально поступившими “горячими” радиоактивными частицами. Разработаны математические модели транспорта частиц и формирования поглощенных доз в отделах пищеварительного тракта. Приведены особенности глубинного распределения поглощенных доз в слизистой оболочке в зависимости от спектральных характеристик β-излучения радионуклидов, входящих в состав силикатных частиц. Показано, что основными факторами формирования очагов язвенного поражения пищеварительного тракта были неравномерное распределение частиц в содержимом и концентрирование частиц на отдельных участках слизистой оболочки с последующим формированием высоких локальных дозовых нагрузок. Предложена дозиметрическая шкала крайне тяжелой, тяжелой, средней и легкой степени острого радиационного язвенного гастроэнтероколита, позволяющая экстраполировать результаты модельных экспериментов на сценарии радиоактивного загрязнения окружающей среды частицами различного генезиса. Полученные результаты могут быть приняты во внимание в задачах радиационной безопасности.

hot radioactive particlesinternal exposurebiological effectdigestive tractmonogastric animalsratsguinea pigspigsabsorbed doseacute radiation ulcerative gastroenterocolitisгорячие радиоактивные частицывнутреннее облучениебиологическое действиепищеварительный трактмоногастричные животныекрысыморские свинкисвиньипоглощенные дозыострый радиационный язвенный гастроэнтероколитSalbu B., Krekling T., Hove K. et al. Biological relevance of hot particles ingested by domestic sheep // International Symposium on Environmental Impact of Radioactive Releases. Vienna: IAEA, 1995. P. 312–313.Aarkrog A. Manmade radioactivity / Eds E. Van der Stricht, R. Kirchman // Radioecology: Radioactivity and Ecosystems. 2001. P. 55–78.Dale P., Robertson I., Toner M. Radioactive particles in dose assessments // J. Environ. Radioac. 2008. V. 99. № 10. P. 1589–1595. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2008.06.005Radioactive particles in the Environment: Sources, Particle Characterization and Analytical Techniques // 1AEA-TECDOC-1663. V. 1663.Vienna: IAEA, 2011. P. 1–77.Анненков Б.Н. Сельское хозяйство после крупных радиационных аварий. Ростов-на-Дону: ЗАО Ростиздат, 2010. 284 с. [Annenkov B.N. Selskoe khozyajstvo posle krupnykh radiacionnyx avarij. Rostov-na-Donu: ZAO Rostizdat, 2010. 284 p. (In Russ.)]Бударков В.А., Зенкин А.С., Козьмин Г.В. Особенности биологического действия искусственных радиоактивных частиц // Сб. мат. междунар. конф. “Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы”. Обнинск.: ВНИИРАЭ, 2018. С. 61–64. [Budarkov V.A., Zenkin A.S., Kozmin G.V. Osobennosti biologicheskogo dejstviya iskusstvennyh radioaktivnyh chasticz // Sb. mat. mezhdunar. konf. “Radiacionnye texnologii v selskom xozyajstve i pishhevoj promy`shlennosti: sostoyanie i perspektivy”. Obninsk: VNIIRAE, 2018. P. 61–64. (In Russ.)]Бударков В.А., Киршин В.А., Пантелеев Л.И. и др. Методические указания по моделированию воздействия радиационных факторов наземного ядерного взрыва на сельскохозяйственных животных в лабораторных условиях. М.: ГУ МСХ СССР, 1982. 25 с. [Budarkov V.A., Kirshin V.A., Panteleev L.I. i dr. Metodicheskie ukazaniya po modelirovaniyu vozdejstviya radiacionnyx faktorov nazemnogo yadernogo vzryva na selskoxozyajstvennyx zhivotnykh v laboratornyh usloviyah. Moskva: GU MSX SSSR, 1982. 25 p. (In Russ.)]Kozmin G.V., Fesenko S., Snegirev A.S. et al. Environmental behaviour of radioactive particles: Transfer to animals // J. Environ. Radioact. 2020. V. 213. P. 106–111. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2019.106111Shichijo K., Nariaki Fujimoto N., Uzbekov D. et al. Internal exposure to neutron-activated 56Mn dioxide powder in Wistar rats. Part 2: pathological effects // Radiat. Environ. Biophys. 2017. V. 56. № 1. P. 55–61. https://doi.org/10.1007/s00411-016-0676-zStepanenko V. et al. Microdistribution of internal radiation dose in biological tissues exposed to 56Mn dioxide microparticles // J. Radiat. Res. 2022. V. 63. № 1. P. i21–i25. https://doi.org/10.1093/jrr/rrac023Stepanenko V. et al. Estimation of “dose-depth” profile in the surface layers of a quartz-containing tile from the former Hiroshima University building indicates the possible presence of beta-irradiation from residual radioactivity after A-bombing // J. Radiat. Res. 2022. V. 63. № 1. P. i54–i60. https://doi.org/10.1093/jrr/rrac029ICRP Publication 108: Environmental Protection: The Concept and Use of Reference Animals and Plants // Ann. ICRP. 2008. V. 38. № 4. P. 1–251.Пантелеев Л.И., Анненков Б.Н., Сарапульцев И.А. и др. Теоретические и экспериментальные разработки дозиметрических моделей сельскохозяйственных объектов при радиоактивном загрязнении территорий. Обнинск: ВНИИРАЭ, 1981. 180 c. [Panteleev L.I., Annenkov B.N., Sarapulcev I.A. i dr. Teoreticheskie i eksperimentalnie razrabotki dozimetricheskih modelei selskohozyaistvennih obektov pri radioaktivnom zagryaznenii territorii. Obninsk: VNIIRAE, 1981. 180 p. (In Russ.)]Целищев С.П. Искусственные радиоактивные частицы для изучения радиационного поражения животных на следе наземного ядерного взрыва в модельных экспериментах // Проблемы животноводства в зоне следа наземного ядерного взрыва / Под ред Б.Н. Анненкова. Обнинск, 1978. С. 29–49. [Celischev S.P. Iskusstvennie radioaktivnie chastici dlya izucheniya radiacionnogo porajeniya jivotnih na slede nazemnogo yadernogo vzriva v modelnih eksperimentah // Problemi jivotnovodstva v zone sleda nazemnogo yadernogo vzriva / Pod red. B.N. Annenkova. Obninsk, 1978. P. 29–49. (In Russ.)]Куринный В.Д. Моделирование радиоактивных частиц локальных выпадений наземных ядерных взрывов: Дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 1977. 106 с. [Kurinnyj V.D. Modelirovanie radioaktivnyh chastits lokalnyh vypadenij nazemny yadernyh vzryvov. [Dissertation]. Moskva, 1977. 106 p. (In Russ.)]Козьмин Г.В. и др. Принципы моделирования радиоактивных частиц локального следа наземного ядерного взрыва // Докл. конф. ВНИИВВиМ. Покров, 1976. [Kozmin G.V. Printsipy modelirovaniya radioaktivnyh chastits lokalnogo sleda nazemnogo yadernogo vzryva // Doklady konf VNIIVVIM. Pokrov, 1976. (In Russ.)]Bell M.C. Radiation effects on farm animals. Survival of food crops and livestock in the event of nuclear war: Proc of Symposium Brookhaven National Lab // Conf. proc. Oak Rige, 1971. P. 656–669.Проблемы животноводства в зоне следа наземного ядерного взрыва / Под ред. Б.Н. Анненкова. Обнинск: ВНИИСХРАЭ, 1980. 233 с. [Problemy zhivotnovodstva v zone sleda nazemnogo yadernogo vzryva / Pod red. B. N. Annenkova. Obninsk: VNIISHRAE, 1980. 233 p. (In Russ.)]Сарапульцев И.А., Козьмин Г.В. и др. Динамика транспорта оплавленных радиоактивных частиц в желудочно-кишечном тракте крыс // Мат. науч. конф., посвященной 60-летию со дня образования СССР. Покров, 1983. С. 9–11. [Sarapultsev I.A., Kozmin G.V. i dr. Dinamika transporta oplavlennyh radioaktivnyh chastits v zheludochno-kishechnom trakte krys // Materialy nauchnoj konferentsii posvyaschennoj 60 letiyu so dnya obrazovaniya SSSR. Pokrov, 1983. P. 9–11. (In Russ.)]Сарапульцев И.А., Козьмин Г.В., Бударков В.А. и др. Транспорт оплавленных радиоактивных частиц и дозовые нагрузки в желудочно-кишечном тракте морских свинок при оральном поступлении “3-х компонентных” модельных частиц // Мат. науч. конф., посвященной 60-летию со дня образования СССР. Покров, 1983. С. 13–16. [Sarapultsev I.A., Kozmin G.V., Budarkov V.A. i dr. Transport oplavlennyh radioaktivnyh chastits i dozovye nagruzki v zheludochno-kishechnom trakte morskih svinok pri oralnom postuplenii “3-h komponentnyh” modelnyh chastits // Materialy nauchnoj konferentsii posvyaschennoj 60 letiyu so dnya obrazovaniya SSSR. Pokrov, 1983. P. 13–16. (In Russ.)]Сарапульцев И.А., Расин И.М., Козьмин Г.В. Распределение поглощенных доз в желудочно-кишечном тракте свиней при поступлении с кормом оплавленных радиоактивных частиц // Проблемы животноводства в зоне следа наземного ядерного взрыва / Под общ. ред. Б.Н. Анненкова. Обнинск, 1980. С. 203–210. [Sarapultsev I.A., Rasin I.M., Kozmin G.V. Raspredelenie pogloschennyh doz v zheludochno-kishechnom trakte svinej pri postuplenii s kormom oplavlennyh radioaktivnyh chastits // Problemy zhivotnovodstva v zone sleda nazemnogo yadernogo vzryva / Pod obsch. red. B.N. Annenkova. Obninsk, 1980. P. 203–210. (In Russ.)]Осанов Д.П., Жихтарев И.А. Дозиметрия излучений инкорпорированных радиоактивных веществ. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1977. 200 с. [Osanov D.P., Jiihtarev I.A. Dozimetriya izluchenij inkorporirovannyh radioaktivnyh veschestv. Izd. 2-e pererab i dop. Moskva: Atomizdat, 1977. 200 p. (In Russ.)]Одейчук А.Н. Обобщенный критерий эффективности моделей прогнозирования временных рядов в информационных системах // Біоніка інтелекту. 2009. Т. 70. № 1. С. 113–119. [Odejchuk A.N. Obob-shhennyj kriterij effektivnosti modelej prognozirova-niya vremennyx ryadov v informacionnyx sistemax // Bіonіka іntelektu. 2009. V. 70. № 1. P. 113–119. (in Russ.)]Шилова З.В., Шилов О.И. Теория вероятностей и математическая статистика: учебное пособие. Киров: Изд-во ВГГУ, 2015. 158 с. [Shilova Z.V., Shi-lov O.I. Teoriya veroyatnostej i matematicheskaya statistika. Uchebnoe posobie. Kirov: Izd-vo VGGU, 2015. 158 p. (in Russ.)]Агамиров Л. В. Статистические методы анализа результатов научных исследований: учебное пособие по курсам “Методы обработки и представления результатов научных исследований” и “Планирование проведения исследований”. М.: Изд-во МЭИ, 2018. 71 c. [Agamirov L.V. Statisticheskie metody analiza rezultatov nauchnyh issledovanij. Uchebnoe posobie po kursam “metody obrabotki i predstavleniya rezultatov nauchnyh issledovanij” i “planirovanie provedeniya issledovanij”. Moskva: Izd-vo MEI, 2018. 71 p. (in Russ.)]Osanov D.P. Experimental Validation of a Dosimetric Model of the Gastrointestinal Tract in Cattle // Health Phys. 1974. V. 26. № 6. P. 497–503.Козьмин Г.В., Спирин Е.В., Ткаченко В.В. Дозиметрия β-излучения термолюминесцирующим фтористым литием // Радиобиология. 1978. Т. 18. № 5. С. 785−788. [Kozmin G.V., Spirin E.V., Tkachenko V.V. Dozimetriya β-izlucheniya termolyuminestsiruyuschim ftoristym litiem // Radiobiologiya. 1978. V. 18. № 5. P. 785–788. (in Russ.)]Hamby D.M. et al. VARSKIN 4: A Computer Code for Skin Contamination Dosimetry // U.S. Nuclear Regulatory Commission. 2011. P. 1–101.Berger M.J. Distribution of Absorbed Dose Around Point Sources of Electrons and Beta Particles in Water and Other Media // J. Nucl. Med. 1971. V. 12. № 5. P. 5–22.Сюрдо А.И., Болдеш А.В., Власов М.И. и др. Оценка погрешностей измерения поглощенных доз кожными и глазными дозиметрами с отличающимися толщинами активных и защитных слоев // АНРИ. 2014. Т. 1. № 76. С. 39–45. [Syurdo A.I., Boldesh A.V., Vlasov M.I. i dr. Otsenka pogreshnostej izmereniya pogloschennyh doz kozhnymi i glaznymi dozimetrami s otlichayuschimisya tolschinami aktivnyh i zaschitnyh sloev // ANRI. 2014. V. 1. № 76. P. 39–45. (in Russ.)]Ветеринарная радиобиология // Сб. мат. конф. / Под общ. ред. В.А. Бударкова. Покров, 1983. 135 с. [Veterinarnaya radiobiologiya // Sb.mat. konf. / Pod obsch. red. V.A. Budarkova. Pokrov, 1983. 135 p. (in Russ.)]Rowland M., Tozer T.N. Clinical Pharmacokinetics and Pharmacodynamics: Concepts and Applications. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott William & Wilkins, 2011. 1267 p.Sakaguchi E., Itoh H., Uchida S. et al. Comparison of fibre digestion and digesta retention time between rabbits, guinea-pigs, rats and hamsters // Br. J. Nutr. 1987. V. 58. P. 149–158.De Cuyper A. et al. The uneven weight distribution between predators and prey: comparing gut fill between terrestrial herbivores and carnivores // Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 2020. V. 243. P. 110–683.Stevens C.E., Hume I.D. Contributions of microbes in vertebrate gastrointestinal tract to production and conservation of nutrients // Physiol. Rev. 1998. V. 78. P. 393–427.Franz R. et al. Intake, selection, digesta retention, digestion and gut fill of two coprophageous species, rabbits (Oryctolagus cuniculus) and guinea pigs (Cavia porcellus), on a hay-only diet // J. Animal. Physiol. Animal. Nutr. 2011. V. 95. № 5. P. 564–570.Potkins Z.V., Lawrence T.J., Thomlinson J.R. Effects of structural and non-structural polysaccharides in the diet of the growing pig on gastric emptying rate and rate of passage of digesta to the terminal ileum and through the total gastrointestinal tract // Br. J. Nutr. 1991. V. 65. № 3. P. 391–413.Partanen K., Jalava T., Valaja J. Effects of a dietary organic acid mixture and of dietary fibre levels on ileal and faecal nutrient apparent digestibility, bacterial nitrogen flow, microbial metabolite concentrations and rate of passage in the digestive tract of pigs // Animal. 2007. V. 1. № 3. P. 389–401.Wilfart A., Montagne L., Simmins H. et al. Digesta transit in different segments of the gastrointestinal tract of pigs as affected by insoluble fibre supplied by wheat bran // Br. J. Nutr. 2007. V. 98. P. 54–62. https://doi.org/10.1017/S0007114507692981Hoelzel F. The rate of passage of inert materials through the digestive tract // Am. J. Physiol. 1930. V. 92. P. 466–497.Сарапульцев И.А., Козьмин Г.В., Торубарова А.А., Зенкин А.С. Радиографическое исследование распределения оплавленных радиоактивных частиц в пищеварительном тракте крыс // Сб. мат. конф. Ветеринарная радиобиология. Покров, 1984. С. 10–14. [Sarapulcev I.A., Kozmin G.V., Torubarova A.A., Zenkin A.S. Radiograficheskoe issledovanie raspredeleniya oplavlennyh radioaktivnyh chastic v pishchevaritel’nom trakte krys // Sb. mat. konf. Veterinarnaya radiobiologiya (Conf. Proc.). Pokrov, 1984. P. 10–14. (In Russ.)]Shapovalov S., Kozmin G. et al. Damage to the digestive tract of monogastric animals by “hot” radioactive particles // Phys.: Conf. Series. 2020. V. 1701. P. 012026-1–012026-7. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1701/1/012026Шаповалов С.Г., Зенкин А.С., Бударков В.А., и др. Поражение пищеварительного тракта моногастричных животных “горячими” радиоактивными частицами // Междунар. науч.-практ. конф. “Ядерно-физические исследования и технологии в сельском хозяйстве”. Обнинск, 2020. С. 109–112. [Shapovalov S.G., Zenkin A.S., Budarkov V.A. i dr. Porazhenie pischevaritelnogo trakta monogastrichnyh zhivotnyh “goryachimi” radioaktivnymi chastitsami // Mezhdunarodnaya nauchno prakticheskaya konferentsiya “yaderno fizicheskie issledovaniya i tehnologii v selskom hozyajstve”. Obninsk, 2020. P. 109–112. (in Russ.)]Бударков В.А., Зенкин А.С., Шаповалов С.Г. Симптоматика и течение радиационного язвенного гастроэнтероколита // III Междунар. (XVI Регионал.) науч. конф. “Техногенные системы и экологический риск”. Обнинск, 2020. С. 297–299. [Budarkov V.A., Zenkin A.S., Shapovalov S.G. Simptomatika i techenie radiacionnogo yazvennogo gastroenterokolita // III Mezhdunar. (XVI Regional.) nauch. konf. “Tekhnogennye sistemy i ekologicheskij risk”. (Conference proceedings) Obninsk, 2020. P. 297–299. (In Russ.)]Козьмин Г.В., Епимахов В.Г. Закономерности поведения радиоактивных частиц в пищевой цепочке и желудочно-кишечном тракте крупного рогатого скота // Радиац. биология. Радиоэкология. 2015. Т. 55. № 5. С. 1–14. [Kozmin G.V., Epimahov V.G. Zakonomernosti povedeniya radioaktivnyh chastits v pischevoj tsepochke i zheludochno kishechnom trakte krupnogo rogatogo skota // Radiatsionnaya biologiya. Radioekologiya. 2015. V. 55. № 5. P. 1–14. (in Russ.)]Козьмин Г.В., Епимахов В.Г., Снегирев А.С. и др. Транспорт радиоактивных частиц в желудочно-кишечном тракте овец // Радиац. биология. Радиоэкология. 2018. Т. 58. № 3. С. 305–318. [Kozmin G.V., Epimaxov V.G., Snegiryov A.S. i dr. Transport radioaktivnyx chasticz v zheludochno-kishechnom trakte ovecz // Radiacionnaya biologiya. Radioekologiya. 2018, V. 58. № 3. P. 305–318. (in Russ.)] https://doi.org/10.7868/S0869803118030104