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

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 Flora und Fauna 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 Flora und Fauna Mensch Deterministische Effekte Verringerte Fortpflanzungsfähigkeit Morbidität Mortalität Mensch Stochastische Effekte

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 Nadeln Absterben von Pollen und Samen Reduktion des Wachstums 3,7-4,4 10-20 95 % der Nadeln vertrocknet 6,3-7,4 20-40 Nadelbäume: Vollständiges Absterben 37-59 - 40-60 Birke: Vertrocknung des oberen Kronenbereiches: alte B.1% junge B. 30% 92-140 100-150 Birke: Vertrocknung des oberen Kronenbereiches: alte B.30%, junge B. 75%

Effects after chronic gamma-exposure to mice (Larsson et al. 2003) 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 Mortality Reproduction 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. Increased % of sterile pairs; reduced mean offspring sired and weaned. (1–5) x 103 Increased mortality ratio (the effect was dependent on the mice strain used); decreased mean after survival. Irradiation in 2nd week after birth reduced the fertility and the litter size. Irradiation during 4 to 90 days reduced the fertility span, the germ cells per ovary and the testis weight. Increased mutation frequency at 7 specific loci in mouse spermatogonia. Mutation (5–10) x 103 Life shortening after exposures of 68 days or longer. Increased paternal expanded simple tandem repeat (ESTR) mutation rate and paternal mutation per offspring band at loci MMS10 + Ms6-hm+Hm-2. >10 x 103 Increased mortality ratio (dependent on the strain used).

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

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

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 Organisms Terrestrial Ecosystems Aquatic 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 Fish Fish eggs Wading birds Sea mammals Phytoplankton Zooplankton Macroalgae

Radiation weighting factors for a-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 b-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 g-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 b 0.5 10 keV-2MeV 100 µm –10cm Ellipsoid N/A g 0.1, 0.5,1.0 50 keV- 2 MeV Boden-ober-fläche 1cm, 10 cm, 1m 0.01 - 1 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 Knospe Mitte des Pflanzenbestandes (0.55 m) Baum 1-10 m Mitte des Pflanzenbestandes (5.5 m)

Pflanzen: Strahlenquellen und Endpunkte Strahlenart Strahlenquelle Endpunkt g Homogene Verteilung im Bestand Mittlere Dosis im Bestand b Mittlere Dosis in Knospen und Meristem Aktivität auf oder im Zielorgan a

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

Absorbierte Bruchteile für Elektronen

Absorbierte Bruchteile für Photonen

External background exposure

Internal background exposure

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)

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