XI. Erdélyi Tudományos Diákköri Konferencia Kolozsvár, 2008. május 23 24. Romániában forgalmazott cigaretták 210 Po koncentrációja és a rendszeres fogyasztásukból eredő sugárterhelés becslése Témavezető tanárok dr. Constantin Cosma 1 professzor dr. Kovács Tibor 2 egyetemi adjunktus drd. Begy Róbert 1 tanársegéd Szerző Márton Ágnes Babeş-Bolyai Tudományegyetem Környezettudomány Kar Környezettudomány Szak IV. évfolyam 1 Babeş-Bolyai Tudományegyetem, Kolozsvár, Környezettudomány Kar, Fizika, Kémia és Környezeti Technológia Tanszék 2 Pannon Egyetem, Veszprém, Mérnöki Kar, Radiokémiai és Radioökológiai Intézet
1. Bevezető Környezetünkben a stabil kémiai elemek mellett radioaktív elemek is előfordulnak, amelyek lehetnek természetes vagy mesterséges eredetűek. A Föld lakosságát érő radioaktív sugárterhelés nagyobb hányada a természetes eredetű forrásokból származik. A természetes eredetű sugárzások kozmikus és földkérgi (terresztriális) eredetűek lehetnek, továbbá idetartoznak az ún. kozmogén radioizotópok. A természetes eredetű sugárterhelés világátlaga 2,4 msv/év (UNSCEAR, 2000). Törekednünk kell arra, hogy az ezen kívül kapott ún. többletdózis a lehető legkisebb legyen, és így elkerüljük a radioaktív sugárzás káros hatásait. Az emberiséget érő természetes eredetű sugárterhelés egyrészt külső, másrészt a kozmogén és földkérgi radionuklidok belégzése, lenyelése következtében ún. belső forrásokból származik. A belső sugárterhelés különösen az alfa-sugárzó izotópok esetében jelentős, hiszen az emberi szervezetbe kerülő radionuklidok közül az alfa-sugárzóknak a legnagyobb az egészségkárosító hatása. A dohánylevélben fellelhető és rendszeres dohányzás során belélegzett radioaktív izotópok jelentősen hozzájárulnak a belső sugárterheléshez egyesek szerint az embert érő belső alfa-sugárzás fő forrása a dohányzással bejutó 210-es tömegszámú polónium izotóp ( 210 Po) (Skwarzec és mtsi., 2001a). Néhány kutató ezt említi a tüdőrák kialakulásának alapvető okaként (LaGrasse, 2005). Egyes országokban forgalmazott cigaretták dohánytartalmának 210 Po aktivitáskoncentrációja jelentősen különbözhet a dohány termőföldek jellege, a térség geológiája, a meteorológiai viszonyok, a műtrágyázás mértéke is befolyásolja. A romániai piacon elérhető cigarettákra vonatkozóan mindeddig nem álltak rendelkezésre adatok. Romániában, 2006-ban 35 milliárd szál cigarettát adtak el (Comandasu, 2006). A tüdőrákos megbetegedések több mint 87%-a a dohányzáshoz kapcsolódik (RCL, 2003). Ezért a fogyasztók számára a 210 Po-tól származó kockázati tényező ismerete nagyon fontos. 2. Célkitűzés Munkánk során célul tűztük ki a Romániában forgalmazott tíz legnépszerűbb cigaretta márka 210 Po aktivitás-koncentrációjának meghatározását. Azt figyeltük, hogy miként viszonyul más országokban mért értékekhez. A rendszeres fogyasztásból eredő sugárterhelés becslésével pedig azt kívántuk meghatározni, hogy a dohányzás kerülésével mekkora többletdózisról mondhatunk le. 2
3. Alapfogalmak - Radioaktív bomlás A radioaktív bomlás instabil atommagok spontán átalakulása más atomokká, nagy energiájú részecskék kibocsátása (sugárzás) révén. (Felszeghy, 1980) - Radioaktivitás A radioaktivitás egy adott anyagmennyiségben időegység alatt elbomló atommagok számát jelenti. Mértékegysége bomlás*s -1, amit becquerel-nek (Bq) nevezünk. (Kanyár és mtsi., 2000) - Alfa-bomlás Az alfa-bomlás egy radioaktív bomlás típus, melynek során két protonból és két neutronból álló, elektromosan töltött részecske (alfa-részecske) hagyja el a bomló atommagot. Az alfa-részecske a viszonylag nagy tömege és elektromos töltése miatt nagy valószínűséggel kölcsönhatásba lép az útjába kerülő atomokkal. Rövid úthossz mentén több MeV energiát is képes leadni. Ez növeli a sejtroncsolódás esélyét belső sugárzás esetén. A külső alfa-sugárzás kevésbé veszélyes, ugyanis néhány centiméter vastagságú levegőrétegben vagy a bőrt borító elhalt hámsejtekben már elnyelődik. (Kanyár és mtsi., 2000) - Polónium-210 ( 210 Po) A polóniumnak összesen 27 izotópja ismert, tömegszámuk 192 és 218 között van, valamennyi radioaktív (Felszeghy, 1980). Csak a 208, 209 és 210 tömegszámúak felezési ideje hosszabb egy napnál, valamint a 210 Po az egyetlen természetes izotóp (felezési ideje 138,4 nap). A 210 Po alfa-sugárzó, a 238 U bomlási sorába tartozik, fellelhető a talajban, légkörben, természetes vizekben. Belélegzés, lenyelés esetén jelentős belső sugárterhelés származhat tőle. Az egyik legtoxikusabbnak tartott természetes radionuklid. (Matthews és mtsi., 2007) - Lekötött effektív dózis A dózis a sugárterhelés mértékét jellemzi. A lekötött effektív dózis figyelembe veszi a besugárzott szövet jellegét, a sugárzás típusát, nagyságát és a besugárzás időtartamát. Mértékegységét sievert-nek (Sv) nevezzük. 4. A 210 Po tüdőbe kerülése a dohányon keresztül A különböző kőzetekben fellelhető 238 U leányelemeihez (pl. 226 Ra, 222 Rn, 210 Pb, 210 Po) könnyen hozzáférhetnek a növények gyökereik által. Ha a termőföldeken foszfátműtrágyát használunk, a természetes mennyiségnél jóval több radionuklid kerül a növényekbe, így a dohányba is. A természetes urán ugyanis képes helyettesíteni a kalciumot a 3
foszfátkőzetekben, így bomlástermékei megtalálhatóak lesznek az ebből készült műtrágyában is. A 210 Po gyökéren keresztüli akkumulálódásának mértéke azonban elhanyagolható a légkörből való kiülepedéssel szemben. A 238 U bomlása során keletkező elemek közül a 222 Rn gáz halmazállapotú, diffúzióval a talajból a légkörbe kerülhet. Itt 210 Pb-má bomlik, ami aeroszolokhoz tapadva a földfelszínre ülepedik, és tovább bomlik 210 Po-má. (Skwarzec és mtsi., 2001a) A dohány levelén kis szőröcskék, ún. trichómák vannak. A levegőből kiülepedő részecskék a trichómák csúcsain levő ragacsos mirigyváladékban könnyen felhalmozódnak. A dohány feldolgozása során nem távolítódnak el a levélre adszorbeálódott radioaktív részecskék. A szárítás, feldolgozás ideje alatt a 210 Pb atomokból fokozatosan leányelemük, a 210 Po keletkezik. A cigaretta-filterek ennek csak nagyon kis hányadát képesek megszűrni, így cigarettázás során mindkét izotóp a füsttel együtt a tüdőbe kerül, ahol a hörgők elágazásánál felgyűlnek és besugározzák a tüdő szövetét. (Khater, 2004, LaGrasse, 2005) 5. Mérési eszköz Mivel a 210 Po alfa részecskéket sugárzó izotóp, ezért mérése alfa-spektrometriával történik. A használt alfa-spektrométer egy Canberra gyártmányú Eurisys Measures Model 7401 (1. ábra), amely a következő részekből áll: vákuum kamra, előerősítő/erősítő, sokcsatornás analizátor, impulzusszámláló, digitális jelátalakító. A vákuum kamra (2. ábra) tartalmazza a minta tartót és a passzivált ionimplantált planár szilikon (PIPS) félvezető detektort. A mérőrendszer üzemeltetése egyszerűbb más detektortípust használó rendszereknél. A PIPS detektor felbontása jobb ( 20 kev), hatásfoka nagyobb ( 25 %), megbízhatóbb a régebbi módszerrel előállított félvezető detektorokénál. A háttér 3 MeV feletti energiáknál 1 imp/óra. Egyetlen hátrány, hogy a megfelelő forrás elkészítése meglehetősen bonyolult. A mintának annyira vékonynak kell lennie, hogy önabszorpciója elhanyagolható legyen. 4
1. ábra Alfa spektrométer 2. ábra Vákuum kamra 6. A mérés elve A cigarettákból a dohányt savakkal roncsoljuk, vízzel hígítjuk, így oldatba visszük. A nyert savas oldatból a polónium kationok spontán leválnak fémlemezkére. A fémlemezre levált 210 Po mennyiségét alfa-spektométerrel mérjük. A roncsolás előtt a mintához ismert mennyiségű és aktivitású 209 Po nyomjelzőt teszünk. A két polónium-izotóp leválási hatásfoka megegyezik, így kiszámítható a mért 210 Po mennyiségének megfelelő aktivitás. (Matthews és mtsi., 2007) 7. Mintagyűjtés A Romániában forgalmazott cigaretta márkák közül a tíz legnépszerűbbet vizsgáltuk (Comandasu, 2006). Ezeket három nemzetközi és egy romániai vállalat gyártja. Egy márkán belül figyelembe vettük a különböző fajtákat is (a füst kátrány, nikotin és szén-monoxid tartalma szerint), így összesen tizennyolc mintával dolgoztunk. A minták 2 g dohányt tartalmaznak (3-4 szál cigaretta dohány tartalma). A minták adatait az 1. táblázat foglalja össze. A mintákat a következő módon jelöltük: az első szám a gyártót jelenti, a második a cigaretta márkát, a kis betű a márkán belül a fajtát. Átlagos száltömeg alatt az egy szál cigarettában levő dohány tömegét értjük. 5
1. táblázat A vizsgált cigaretta fajták átlagos száltömege, és a dobozon feltüntetett kátrány, nikotin és szén-monoxid tartalom. Minta száma Mintaazonosító 8. A minta előkészítése Átlagos száltömeg [g] Kátrány tartalom [mg] Nikotin tartalom [mg] 1 11a 0,603 10 0,8 10 2 11b 0,6382 7 0,6 8 3 11c 0,5994 6 0,4 5 4 21a 0,7624 10 0,9 10 5 21b 0,5853 - - - 6 21c 0,5833 5 0,5 5 7 12a 0,681 12 0,9-8 12b 0,615 7 0,6 8 9 12c 0,6224 4 0,4 5 10 13 0,6323 8 0,7 10 11 22a 0,7456 10 0,8 10 12 22b 0,6109 - - - 13 31 0,7088 10 0,8 10 14 32 0,6293 - - - 15 33a 0,6574 - - - 16 33b 0,6211 - - - 17 41 0,6871 10 1 10 18 34 0,7197 10 0,8 10 Szén-monoxid tartalom [mg] A minta előkészítése során analitikai tisztaságú (Aldrich, Fluka) vegyszereket, az oldatok készítéséhez ultratiszta (ionmentes) vizet használtunk. - törzsoldat készítése A 2 g dohány mintához 0,5 ml 68 mbq/ml aktivitás-koncentrációjú 209 Po nyomjelzőt töltünk. Ezután 30 ml tömény HNO 3 -at töltünk rá. Állandó kevergetés mellett melegítjük, majdnem szárazra pároljuk. Újabb 30 ml HNO 3 -at töltünk hozzá, ismét kevergetjük, párologtatjuk. Harmadszor is megismételjük. A hőfokot a kezdeti 120 C-ról fokozatosan 180 C-ra emeljük. Ugyanezt megismételjük 3*30 ml 37%-os HCl-dal. A salétromsavas és sósavas roncsolás után a maradék szerves anyagot 3-4 csepp 30%-os H 2 O 2 -dal maratjuk. Hogy csökkentsük az oldat sósav koncentrációját, ultratiszta vízzel is bepároljuk háromszor. A majdnem teljesen bepárlódott mintát 100 ml-es üvegbe öntjük, és ultratiszta vízzel jelig töltjük. 6
A 100 ml törzsoldatból csak 50 ml szükséges a forráskészítéshez, így kétszer is mérhetjük a mintánkat. 3. ábra A törzsoldatok - forráskészítés Az 50 ml savas törzsoldatból a polónium-izotópok más, a mérést zavaró alfa-sugárzó izotópoktól különválva fémlemezre leválnak. (Matthews és mtsi., 2007) A forráskészítéshez egy depozíciós készüléket (4. ábra) és 18,5 mm átmérőjű magas nikkel-tartalmú rozsdamentes acéllemezt használunk. A lemezt a készülék aljához rögzítjük, rátöltjük a törzsoldatot és mágneses keverőt helyezünk az edénybe. Az törzsoldatban levő Fe 3+ ionok zavarják a leválást, ezért kb. 100 mg aszkorbinsavat adunk az oldathoz, ami Fe 2+ -vé redukálja a Fe 3+ -at. (Matthews és mtsi., 2007) A depozíciós készüléket termosztátba helyezzük, és 80 C-on 3 órán keresztül kevertetjük. Így létrejön az alfa-spektrometriás méréshez szükséges forrás (5. ábra). Fontos, hogy a forrás vékony legyen, hogy a minta önabszorpciója minél kisebb legyen. 9. A minta mérése 4. ábra Depozíciós készülék 5. ábra A fémlemezre kiülepedett polónium A fémlemezkét rátesszük a mintatartóra és behelyezzük az alfa-kamrába, 5 mm-re a detektortól. A kamrát vákuum alá helyezzük, és 80000 másodpercig hagyjuk mérni. A kapott 7
spektrumot a SILENA International Software Package EMCA 2000 szoftverével olvassuk le és értékeljük ki. Leolvassuk a 209 Po (4,866 MeV) és a 210 Po (5,305 MeV) izotóp csúcsa alatti nettó területet. Tudva azt, hogy a 209 Po csúcs alatti terület 34 mbq-nek felel meg, kiszámoljuk a 210 Po aktivitás-koncentrációját - 2 g dohányra vonatkoztatva. 10. Mérési eredmények 6. ábra A Po-210 spektruma (Savidou és mtsi., 2006) Minden törzsoldatból két forrást készítettünk, így mindegyik cigarettafajta 210 Po tartalmát kétszer mértük. A továbbiakban a két mérés eredményének átlagaival dolgozunk. A cigaretta minták 210 Po aktivitás-koncentrációja a 7. ábrán látható. Az értékek 4,65-10,22 mbq/szál közé esnek, az átlagos érték 8,35 mbq/szál. Az eredményeink igazodnak más országok cigarettáiban mért 210 Po koncentrációkhoz. Ezek értékei 7,9-től 23,2 mbq/szál-ig terjednek (2. táblázat). 8
Po-210 aktivitás-koncentráció [mbq/szál] 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 11a 11b 11c 21a 21b 21c 12a 12b 12c 13 22a 22b 31 32 33a 33b 41 34 Minta 7. ábra. A romániai cigaretta minták szálankénti Po-210 aktivitáskoncentrációja [mbq/szál] 2. táblázat Más országokban mért szálankénti Po-210 aktivitás-koncentrációk Ország Átlagos Po-210 aktivitáskoncentráció [mbq/szál] Forrás Kanada 7,90 Black és Brethauer, 1968 Norvégia 8,6 Black és Brethauer, 1968 Fülöp-szigetek 10,7 Black és Brethauer, 1968 Finnország 11,1 Mussealo-Rauhammaa és Jaakkola, 1985 Lengyelország 13,3 Skwarzec és mtsi, 2001b Bulgária 14 Parfenov, 1974 Oroszország 14,1 Black és Brethauer, 1968 Törökország 14,3 Karali és mtsi., 1996 Egyiptom 16,3 Khater, 2004 Anglia 17,30 Black és Brethauer, 1968 Németország 19,2 Black és Brethauer, 1968 Magyarország 22 Kovács és mtsi., 2007 Japán 22,4 Black és Brethauer, 1968 Franciaország 23,2 Black és Brethauer, 1968 Amint az a 7. ábrán látható, a 210 Po koncentrációt illetően nincs jelentős különbség az egyes márkák között, valamint a márkákon belül a különböző cigaretta fajták között sem. 11. Rendszeres dohányzásból eredő sugárterhelés Miután meghatároztuk, hogy a Romániában forgalmazott cigaretták dohányában mennyi 210 Po található, felbecsülhetjük az ebből származó sugárterhelést. Figyelembe véve azt, hogy a dohány 210 Po tartalmának 75%-a kerül a füstbe (Khater, 2004), és ennek 50%-a tüdőbe 9
(Skwarzec és mtsi., 2001b), egy rendszeresen dohányzó (napi 20 szál cigaretta) bevétele egy nap alatt átlagosan 62,69 mbq (34,88-76,69 mbq/nap). Megszorozva ezt a 210 Po dóziskonverziós tényezőjével, ami felnőttekre nézve 3,3 * 10-6 Sv/Bq (UNSCEAR, 2000), kiszámolhatjuk az egy évre vonatkozó lekötött effektív dózist. 3. táblázat A Romániában forgalmazott cigaretták fogyasztásából származó becsült éves lekötött effektív dózis [µsv/év] Minta száma Mintaazonosító Aktivitás-koncentráció [mbq/szál] Lekötött effektív dózis [µsv/év] 1 11a 7,19 64,99 2 11b 7,76 70,10 3 11c 8,44 76,29 4 21a 10,22 92,37 5 21b 8,38 75,71 6 21c 8,29 74,94 7 12a 8,48 76,65 8 12b 7,81 70,63 9 12c 4,65 42,01 10 13 7,86 71,02 11 22a 9,05 81,81 12 22b 9,13 82,48 13 31 9,63 87,05 14 32 7,72 69,75 15 33a 7,47 67,56 16 33b 9,01 81,42 17 41 9,43 85,25 18 34 9,85 89,06 A romániai cigaretták rendszeres fogyasztása esetén a 210 Po-tól eredő lekötött effektív dózis átlagosan 75,51 µsv/év (42,01-92,37 µsv/év). Ez megközelítőleg megegyezik azzal a sugárterheléssel, amit a bőr kap egy mellkasröntgen során (kb. 60 µsv) (West és Coronado, 2003). Valamint közelít ahhoz a maximálisan megengedett sugárterheléshez, amit az atomerőművek környékén élő emberek kaphatnak egy év alatt (100 µsv/év) (IAEA, 1995). A dohányban levő 210 Pb izotópoktól kapott sugárterhelést is figyelembe véve, a kapott dózis megduplázódhat. Napi 40 szál cigaretta elszívása esetén szintén megkétszereződik az érték. 12. Következtetések Ahogyan azt más országok cigarettáinál is kimutatták, a Romániában forgalmazott cigaretták esetében is független a 210 Po koncentráció a dobozon feltüntetett kátrány, nikotin és szén-monoxid tartalomtól. A romániai cigaretták átlagos 210 Po aktivitás-koncentrációja hasonló más országokban mért koncentrációkhoz: 8,35 mbq/szál. Ez valószínüleg annak tudható be, hogy a hazai piacot 10
a nemzetközi vállalatok uralják, így a Romániában forgalmazott cigarettákba is külföldön termesztett dohány kerül. Becslésünk szerint, napi húsz szál cigaretta elszívásától 75,51 µsv/év effektív dózis származik. Ez megközelítőleg megegyezik azzal a sugárterheléssel, amit a bőr kap egy mellkasröntgen során. A tüdő szövetének folyamatos roncsolása viszont már ekkora dózisoknál is jeletős. Kihangsúlyozandó, hogy a belső sugárterhelés lényegesen kockázatosabb, mint a szervezetet kívülről érő sugárterhelés. A romániai fogyasztók pontosabb tájékoztatása érdekében további mérésekre van szükség. 11
Felhasznált irodalom 1. Black, S.C., Brethauer, E.W., 1968: Polonium-210 in tobacco, Radiological Health Data and Report, March, 145-152. 2. Comandasu, M., 2006: Contrabanda - actor nedorit dar important pe piata tigarilor, Revista Piata, Nr. 25, noiembrie 2006 (www.revista-piata.ro 2007.02.28.) 3. Felszeghy Ö. szerk., 1980: Kémiai kislexikon, Kriterion Könyvkiadó, Bukarest. 4. IAEA, 1995: International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources, International Atomic Energy Agency Safety Standards No. 115, Vienna. 5. Kanyár B., Béres Cs., Somlai J., Szabó S.A., 2000: Radioökológia és sugárvédelem, Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém. 6. Karali, T., Ole, S., Veneer, G., 1996: Study of spontaneous deposition of Po-210 on various metals and application to activity assessment in cigarette smoke, Applied Radiation ad Isotopes 47 4, 409-411. 7. Khater, A.E.M., 2004: Polonium-210 budget in cigarettes, Journal of Environmental Radioactivity, Volume 71, Issue 1, Pages 33-41. 8. Kovács, T., Somlai, J., Nagy, K., Szeiler, G., 2007: Po-210 and Pb-210 concentration of cigarettes traded in Hungary and their estimated dose contribution due to smoking, Radiation Measurements 42, 1737-1741. 9. LaGrasse, C.W., 2005: Radioactivity in Cigarette Smoke (www.prfamerica.org 2006.12.16.) 10. Matthews, K.M., Kim, C., Martin, P., 2007: determination of Po-210 in environmental materials: A review of analytical methodology, Applied Radiation and Isotopes, 65, 267-279. 11. Mussealo-Rauhammaa, H., Jaakkola, T., 1985: Pu-239, Pu-240 and Po-210 content of tobacco and cigarette smoke. Health Physics 49 2, 296-301. 12. Parfenov, Yu.D., 1974: Po-210 in the environment ad in the human organism. Atomic Energy Review 12, 75-143. 13. RCL, 2003: Lung Cancer (www.romaniancancerleague.org 2008.04.01.) 14. Savidou, A., Kehagia, K., Eleftheriadis, K., 2006: Concentration levels of Pb-210 and Po- 210 in dry tobacco leaves in Greece, Journal of Environmental Radioactivity 85, 94-102. 12
15. Skwarzec, B., Struminska, D.I, Ulatowski, J., Golebiowski, M., 2001a: Determination and distribution of Po-210 in tobacco plants from Poland, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 250, No. 2, 319-322. 16. Skwarzec, B., Ulatowski, J., Struminska, D.I, Borylo, A., 2001b: Inhalation of Po-210 and Pb-210 from cigarette smoking in Poland, Journal of Environmental Radioactivity 57, 221-230. 17. UNSCEAR, 2000: Source and effects of ionizing radiation, United Nations Scientifc Committee on the Effects of Atomic Radiation, New York (www.unscear.org 2008.04.21.) 18. West, J., Coronado, L., 2003 (www.hps.org 2008.04.24.) 13