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Wirkung niedriger Strahlendosen auf Pflanzen und Tiere oder Warum brauchen wir Strahlenschutz für Flora und Fauna? G. Pröhl, H.G. Paretzke GSF-Institut.

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Präsentation zum Thema: "Wirkung niedriger Strahlendosen auf Pflanzen und Tiere oder Warum brauchen wir Strahlenschutz für Flora und Fauna? G. Pröhl, H.G. Paretzke GSF-Institut."—  Präsentation transkript:

1 Wirkung niedriger Strahlendosen auf Pflanzen und Tiere oder Warum brauchen wir Strahlenschutz für Flora und Fauna? G. Pröhl, H.G. Paretzke GSF-Institut für Strahlenschutz Neuherberg 68. Physikertagung der DPG München, 23. März 2004

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4 Wirkung von Röntgenstrahlung auf das Wachstum von Arabidopsis “Gute Erde” “Sandkultur”

5 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)

6 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

7 Wichtige Endpunkte Mensch –Stochastische Effekte Flora und Fauna –Deterministische Effekte Verringerte Fortpflanzungsfähigkeit Morbidität Mortalität

8 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)

9 Strahlenschäden an Bäumen in Kysthim (UNSCEAR 1996) Sr-90 Aktivität (MBq/m²) Dosis, (Gy) Nadeln Dosis, (Gy) Knospen Wirkung 1,5-1, Vertrocknung von Nadeln Absterben von Pollen und Samen Reduktion des Wachstums 3,7-4, % der Nadeln vertrocknet 6,3-7, Nadelbäume: Vollständiges Absterben Birke: Vertrocknung des oberen Kronenbereiches: alte B.1% junge B. 30% Reduktion des Wachstums Birke: Vertrocknung des oberen Kronenbereiches: alte B.30%, junge B. 75% Reduktion des Wachstums

10 Dose rate (  Gy h -1 ) Effects after chronic gamma-exposure to mice (Larsson et al. 2003) Umbrella effect <100No detrimental effects have been described. Morbidity Mortality Reproduction 100–1,000Life 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 10 3 Increased mortality ratio (the effect was dependent on the mice strain used); decreased mean after survival. Mortality Irradiation in 2 nd 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 10 3 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 10 3 Increased mortality ratio (dependent on the strain used). Mortality

11 Wie berechnet man Strahlenexpositionen für Flora und Fauna ? Berechnung der absorbierten Dosis Interne Exposition: Externe Exposition :

12 Vorgehensweise Definition von Referenzorganismen Definition von Expositionsbedingungen –Interne Exposition –Externe Exposition Strahlentransport-Rechnungen für monoenergetische Strahlung Ableitung von nuklidspezifischen Dosiskonversionsfaktoren –Interne Exposition –Externe Exposition

13 Auswahl von Referenzorganismen Art, Gattung Größe und Form Lebensraum Mögliche Akkumulation von Radionukliden Potentiell hohe externe Exposition Potentiell hohe Strahlenempfindlichkeit Funktion im Ökosystem

14 Definition von Referenzorganismen Verschiedene Lebensräume –Terrestrisch Wald Landwirtschaft –Extensive Bewirtschaftung –Intensive Bewirtschaftung Feuchtgebiete –Aquatisch Flüsse Seen Meere

15 Selected Reference Organisms Terrestrial EcosystemsAquatic ecosystems Soil micro-organisms Soil invertebrates, ‘worm’ Plants and fungi Burrowing mammals Bryophytes Grasses, herbs and crops, shrubs Above ground invertebrates Herbivorous mammals Carnivorous mammals Reptiles Vertebrate eggs Amphibians Birds Trees, invertebrates Benthic bacteria Benthic invertebrates, ‘worm’ Molluscs Crustaceans Vascular plants Amphibians Fish Fish eggs Wading birds Sea mammals Phytoplankton Zooplankton Macroalgae Fish Sea mammals

16 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

17 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

18 Tiere: Externe Exposition Strahlen- quelle Lebens- raum des Tieres Strah- lenart Dicke der konta- minierten Schicht (m) EnergieGröße des Tieres Geo- metrie Entfernung Boden - Tier (m) Boden  keV- 2MeV 100 µm – 10cm Ellipsoid N/A  0.1, 0.5, keV- 2 MeV Boden- ober- fläche  keV- 2MeV 1cm, 10 cm, 1m  0.1, 0.5, keV- 2 MeV

19 Pflanzen: Expositionsbedingungen PlanzenartHöheZielorganHöhe des Zielorgans über dem Boden Gras0-0.1 mMeristemAm Boden (0m) Strauch0.1-1 mKnospe Mitte des Pflanzenbestandes (0.55 m) Baum1-10 mKnospe Mitte des Pflanzenbestandes (5.5 m)

20 Pflanzen: Strahlenquellen und Endpunkte Strahlenart StrahlenquelleEndpunkt  Homogene Verteilung im Bestand Mittlere Dosis im Bestand  Mittlere Dosis in Knospen und Meristem Aktivität auf oder im Zielorgan 

21 Externe Exposition für Bodentiere Kont.Schicht: 50 cm, Tier in 25 cm Tiefe,  1,6 g/cm³

22 Absorbierte Bruchteile für Elektronen

23 Absorbierte Bruchteile für Photonen

24 External background exposure

25 Internal background exposure

26 Exposures in the 30 km-zone of Chernobyl (Bondarkov et al.) Deposition (MBq/m²) – 137 Cs: 1 – 90 Sr: 0.4 Activities in small mammals – 137 Cs (soft tissues): 1-30 kBq/kg – 90 Sr:(bone): 2-5 kBq/kg Exposure, external+internal (mGy/a) – 137 Cs: – 90 Sr: 4-10

27 Radon exposure of soil animals (Macdonalds & Laverock, 1998)

28 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


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