BİYOLOJİ BÖLÜMÜ ÇEVRESEL RADYOAKTİVİTE İZLEME YÖNTEMLERİ DERS NOTLARI

Transkript

1 1 BİYOLOJİ BÖLÜMÜ ÇEVRESEL RADYOAKTİVİTE İZLEME YÖNTEMLERİ DERS NOTLARI Doç.Dr. Murat Belivermiş

2 2 ÇEVRESEL RADYOAKTİVİTE Doğal Radyoaktivite Doğal radyoaktivite İnsanların maruz kaldığı radyasyonun %79 unun 222 Rn ve 40 K gibi doğal radyonüklidlerden, %19 unun medikal uygulamalardan ve geriye kalan %2 sinin ise nükleer silah denemeleri ve nükleer endüstriden kaynaklandığı tahmin edilmektedir (Wild, 1993; UNSCEAR, 2000). Toprakta bulunan radyoaktif izotoplar, özellikle gama ışınları ile dış ışınlama yoluyla ve 222 Rn gibi topraktan havaya karışan radyoaktif gazların solunması ile iç ışınlama yoluyla insanları belirli bir miktar radyasyona maruz bırakmaktadır. Topraktaki radyoaktivite nedeniyle maruz kalınan doğal radyoaktivitenin büyük bir kısmını 232 Th ve 238 U bozunma zincirlerinde bulunan radyonüklidler ile birlikte doğada bol miktarda bulunan 40 K oluşturmaktadır (UNSCEAR, 2000; Yang ve diğ., 2005; Ramzaev ve diğ., 2006). Toprakta bulunan toryum ve uranyum serisindeki radyonüklidler ile 40 K topraktan gelen doğal radyasyonu oluştururken, kozmik ışınlar ve onların atmosferdeki stabil atomlarla reaksiyonu sonucu oluşan 7 Be, 14 C, 3 H ve 22 Na gibi kozmojenik radyonüklidler ise kozmik radyasyonu oluşturmaktadır. 238 U ile başlayan bozunma serisi 8 adet α, 6 adet β radyasyonu yayan radyonüklid oluşturarak 14 basamak sonunda stabil kurşun ile sonlanmaktadır. α ve β partiküllerine γ ışınları eşlik etmektedir. Bu seride bulunan radyoekoloji açısından önemli bazı radyonüklidler 226 Ra, 222 Rn, 210 Pb ve 210 Po dur. 232 Th ile başlayan bozunma serisi ise 10 basamakta α, β ve γ radyasyonları yayan radyonüklidleri oluşturarak stabil kurşun atomunda son bulmaktadır. Toryum serisinde bulunan ve γ ışını yayması nedeniyle 8 topraktan gelen gama radyasyonunda önemli yer tutan bazı radyonüklidler ise 228 Ac, 212 Pb ve 208 Tl dir. Uranyum ve toryum serilerinde bulunan tüm elementler, µs mertebesinden milyonlarca yıl mertebesine kadar değişen farklı uzunlukta fiziksel yarı- ömürlere sahiptirler. Uranyum ve toryum serisinde bulunan radyonüklidler toprakta ve toprağın altındaki ana kayalarda radyoaktif denge halinde bulunmaktadır. Özellikle granit ve volkanik yapıdaki kayaçlarda bu radyonüklidler bolca bulunmaktadır (Merdanoğlu ve Altınsoy, 2006). Yer kabuğu üzerindeki topraklar farklı kaya tiplerinden oluştuğundan, toprakta bulunan doğal radyonüklid konsantrasyonları bölgeden bölgeye değişebilmektedir. Buna örnek olarak, Türkiye de Kestanbol yöresinde (Çanakkale) toprakta bulunan uranyum ve toryum serisi radyonüklid miktarlarının dünya ortalamasından yaklaşık 10 kat fazla olması gösterilebilir (Merdanoğlu ve Altınsoy, 2006). Buna karşın, Marmara Bölgesi toprağında uranyum ve toryum serisi ile birlikte 40 K radyonüklidinin konsantrasyonları dünya ortalama değerlerine çok yakın bulunmuştur (Kılıç ve diğ., 2008; Belivermiş ve diğ., 2008, 2009). K elementi bitkiler tarafından kullanılan ve yumuşak dokularda biriken bir elementtir. Dolayısıyla radyoaktif potasyum da aynı yolu izlemektedir. Potasyuma benzer özellikleri dolayısıyla potasyumun besinsel analoğu olan sezyum (Cs) elementinin stabil ve radyoaktif izotopları bitkiler tarafından potasyumun yerine alınabilmekte ve metabolik olaylarda kullanılabilmektedir. Bu nedenle biyolojik yarı-ömrü organizmalar arasında farklılık göstermekle birlikte, genel olarak uzundur. Buna karşın, uranyum ve toryum serisinde bulunan 228 Ac, 210 Pb, 212 Pb ve 208 Tl gibi bazı radyonüklidler; Ac, Pb ve Tl bitkiler tarafından gereksinim duyulan elementler olmadıklarından karayosunu ve likenlerde biyolojik yarı ömürleri potasyum ve sezyuma göre oldukça kısadır. Toprakta 40 K aktivitesi çoğu zaman uranyum ve

3 3 toryum serisi radyonüklidlerin aktivitelerinden daha fazladır (UNSCEAR, 2000; Belivermiş ve diğ., 2008; Kılıç ve diğ., 2008). Ayrıca, 40 K canlılarda fazla bulunurken uranyum ve toryum serisi radyonüklidler cansız örneklerde canlılara göre çok daha fazla bulunmaktadır (UNSCEAR, 2000). Doğal radyonüklidler, yapay radyonüklidlere oranla karasal ve denizel ortamlarda daha homojen olarak dağılmıştır. Bununla beraber, fosil yakıt kullanan termoelektrik güç santralleri, fosfatlı gübre kullanımı ve madencilikten atmosfere yayılan doğal radyonüklidler topraktaki ve bitkilerdeki doğal radyonüklid miktarını artırmaktadır (McCartney ve diğ., 2000). U ve Th serilerindeki radyonüklidlerin ve 40 K nin ana kaynağı toprağı oluşturan ana kayalardır (UNSCEAR, 2000). Ana kayalarda bulunan bu radyonüklidler, madencilik faaliyetleri için yerin altındaki Cu ve Zn gibi elementlerin ve linyit kömür cevherlerinin yeryüzüne çıkarılması ve bunların işlenmesi sırasında atmosfere yayılmaktadır. Özellikle yakıt olarak kömür kullanan enerji santrallerinden atmosfere yayılan uçucu küller toprağa çökmekte ve bu uçucu küller toprakta ve bitkilerde 14 C ve 40 K radyonüklidleri ile birlikte Th ve U serilerinde yer alan doğal radyonüklidlerin miktarını artırmaktadır (UNSCEAR, 2000). Radyotoksisitesi çok yüksek olan 210 Po (Polonyum-210) radyonüklidi de uranyum serisinde bulunur ve kömür gibi fosil yakıtların yakılması sonucu baca gazları ile ve uçucu partiküllerle atmosfere ve çevrenin tüm kompartımanlarına yayılır. Kömür santrallerinin bu şekilde çevrelerine yaydığı radyonüklidlerin biyomonitoringi, liken ve karayosunları kullanılarak yaygın bir şekilde yapılmaktadır (Delfanti ve diğ., 1999; Uğur ve diğ., 2003). Sedimanter nitelikli fosfat yataklarında uranyum bolca bulunduğundan fosfat madenlerinin işletilmesi sırasında da, radyoaktif uranyum çevreye yayılmaktadır. Yapay Radyoaktivite Çevremizdeki yapay radyonüklidlerin kaynağı; 1945 yılında başlayan nükleer silah denemeleri ve Çernobil ve Fukushima kazası gibi nükleer santral kazalarıdır. Bu faaliyetler sonucu 241 Am, 144 Ce, 134 Cs, 137 Cs, 95 Nb, 103 Ru, 125 Sb, 90 Sr, Pu gibi fisyon ve nötron aktivasyon ürünü yapay radyonüklidler küresel ölçekte yayılmıştır. Yapay radyonüklidlerin en önemlilerinden biri olan 137 Cs, nükleer endüstri sonucunda çevreye yayılmış olan fisyon ürünü bir radyonükliddir. Potasyuma benzer kimyasal özellikleri, nispeten uzun fiziksel yarı ömrü (30.14 yıl) ve suda çözünen yapısı nedeniyle önemli bir yapay radyonükliddir. Yaydığı beta partikülü ve gama ışını (661.6 kev) nedeniyle iç ve dış ışınlamaya yol açmaktadır. Potasyumun besinsel analoğu olması nedeniyle özellikle potasyum bakımından zayıf topraklarda bitkiler sezyumu bünyelerine alıp potasyum yerine kullanabilmektedir yılında Batı Anadolu da toplanan likenlerde radyoaktivite ölçümü yapılmış ve Çernobil kaynaklı 144Ce, 134Cs, 137 Cs, 95 Nb, 103 Ru, 125 Sb radyonüklidleri ölçülebilir 10 değerlerde bulunmuş, en yüksek konsantrasyon 137 Cs için bulunmuştur (Akçay ve Kesercioğlu, 1990). Papastefanou ve diğ. (1989) de Yunanistan için benzer sonuçlar bulmuştur. Bununla birlikte, 137Cs nin dışında kalan radyonüklidlerin aktiviteleri, fiziksel yarı-ömürleri nispeten kısa olduğundan 1-2 yıl içinde örneklerde ölçülemeyecek düzeye kadar azalmıştır. 137 Cs ise yıllık fiziksel yarı-ömrü ve canlılarda kullanılabilmesi nedeniyle ülkemizin her bölgesinde toprakta ve bitkilerde sayılabilir düzeyde bulunmaktadır (Topcuoğlu ve diğ., 1992, 1993, 2003a; Kılıç ve diğ., 2008; Belivermiş ve diğ., 2008). İlki 1945 de gerçekleştirilen ve en yoğun dönemi 1960 lı yıllarda yaşanan nükleer silah denemeleri ve Çernobil nükleer reaktör kazası gibi nükleer kazalar sonucu atmosfere yayılan 137 Cs, toprakta ve bitkilerde birikmiştir (Lee ve Lee, 1997). 26 Nisan 1986 tarihinde meydana gelen Çernobil nükleer santral kazası nedeniyle MCi fisyon ürününün çevreye yayıldığı bildirilmiştir. (IAEA, 1986). Çevreye yayılan bu fisyon ürünleri 30 Nisan 1986 tarihinde Türkiye nin Batı ve Kuzey bölgelerine

4 4 ulaşmıştır. Ortalama 2000 mm/yıllık yağış miktarıyla Türkiye nin en fazla yağış alan bölgesi olan Doğu Karadeniz Bölgesi fisyon ve nötron aktivasyon ürünü radyonüklidlerin en fazla biriktiği bölge olmuştur (Topcuoğlu ve diğ., 1992). Çernobil nükleer santral kazasının oluşturduğu serpinti radyonüklidlerinin herhangi bir bölgedeki birikimi, özellikle kazayı izleyen birkaç ay içindeki meteorolojik koşullara ve coğrafik konuma bağlı olarak değişmiştir (Al-Masri, 2006). Nükleer bomba denemeleri en yoğun olarak 1958 ila 1963 yılları arasında gerçekleştirilmiş, dünyada en çok 40 ila 50 kuzey enlemleri arasında serpintiye (fallout) neden olmuştur (Renaud ve Louvat, 2004; UNSCEAR, 2000). Nükleer denemelerin çok büyük bir kısmı kuzey yarım kürede gerçekleştirildiği için oluşturdukları serpinti radyonüklidleri kuzey yarım kürede güney yarım küreye oranla daha fazla birikmiştir yılına kadar gerçekleştirilen nükleer bomba denemelerinin 383 ü kuzey yarım kürede yapılırken sadece 36 sı güney yarım kürede yapılmıştır (Carter ve Moghissi, 1977). Bununla birlikte, özellikle atmosferde yapılmış olan denemeler sonucunda radyoaktif serpinti stratosfere kadar ulaşmıştır. Stratosfere ulaşan serpintinin troposferde kalana oranla kuzey yarım küreye çok daha fazla yayıldığı bilinmektedir (Wicker and Schultz, 1982). Nükleer faaliyetler sonucunda atmosfere dağılan yapay radyonüklidler kuru ve nemli olarak iki şekilde yeryüzüne ulaşmaktadır. Kuru birikim, radyonüklidin tutunduğu partikülün ağırlığına bağlı olarak yer çekimi yoluyla olurken, nemli birikim havada serbest veya partiküllere bağlı olarak asılı halde bulunan radyonüklidlerin, yağmur ve kar gibi yağışlarla yıkanarak yeryüzüne ulaşması yoluyla olmaktadır. Nükleer faaliyetler sonucu atmosfere yayılan yapay radyonüklidlerin, fiziksel ve biyolojik yarıömürlerinin uzunluğu, canlılar tarafından kullanılabilir olması, eriyebilirliği ve atom ağırlığı gibi özellikleri o radyonüklidin besin zincirinin üst basamaklarına ulaşma derecesi bakımından önemlidir (Price, 1991; Almgren ve Isaksson, 2006). Radyoaktif serpinti (fall-out) sonucunda toprakta biriken 137 Cs miktarı o bölgenin yağış miktarıyla lineer bir ilişki içerisindedir (Blagoeva ve Zikovsky, 1995; Kim ve diğ., 1998). Dolayısıyla, dünyanın çeşitli bölgelerinde bu radyonüklidin birikim oranı o bölgedeki meteorolojik ve topoğrafik koşullarla yakından ilgilidir. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda 1960 lı yıllardan beri var olan radyoaktif serpintinin yıllık ortalama yağış miktarı ile lineer bir ilişki içerisinde yer yüzeyinde biriktiği gösterilmiştir (Lee ve Lee, 1997; Belivermiş ve diğ., 2008). Karasal ortamda atmosferik fallout sonucu oluşan yapay radyonüklidlerin kontaminasyonu, coğrafi lokasyona göre değişmektedir ve genellikle enlem derecesi arttıkça (Blagoeva ve Zikovsky, 1995), serpinti radyonüklidlerinin biyotadaki konsantrasyonları artmaktadır. Bu yüzden, örneğin alındığı lokalite, içerdiği serpinti radyonüklidi miktarını doğrudan etkilemektedir. Bununla beraber, Çernobil nükleer reaktör kazası gibi reaktör kazaları sonucu oluşan serpinti, nükleer silah denemeleri sonucunda oluşan serpintiye kıyasla daha yereldir ve meteorolojik koşullara daha fazla bağlıdır. Bunun nedeni, serpinti bulutunun meteorolojik olayların meydana geldiği troposfer tabakası içinde kalmış olmasıdır. BİYOLOJİK İZLEME Biyolojik izleme (biyomonitoring) genel olarak; biyosferin belirli değişkenleri hakkında bilgi elde etmek amacıyla organizma veya organizma parçalarının kullanılmasıdır. Biyolojik izleme çalışmalarında kullanılan organizmalara biyoindikatör (biyomonitor) denilmektedir. Bazı bitkiler yetiştikleri toprağın kirliliğini gösterebilmektedir. Bazı organizmalar ise atmosferin özelliklerine

5 5 doğrudan yanıtlar verebilmektedir. Bu özelliklere sahip olan bitkiler doğal ortamlarda atmosferik kirleticilerin ve bu kirleticilerin kimyasal kompozisyonlarının iyi birer göstergesi olabilmektedirler. İyi bir karasal biyoindikatör organizmada olması gereken özellikler şunlardır: Biyoindikatör organizmalar, kirliliğe dayanıklı olmalı, arazide sürekli ve yaygın olarak bulunmalı, örneklenmesi kolay olmalı, toplanması ve işlenmesi pahalı donanımlar gerektirmemelidir Çalışılan bölgede yaygın olarak bulunmalıdır, Tüm iklimlerde bulunabilmeli ve morfolojisi yıl boyunca fazla değişmemelidir, Kirleticilerin belirli miktarlarına dayanıklı olmalıdır, Dokularındaki kirletici miktarı belirli bir zamandaki birikimin ortalamasını yansıtmalıdır, Araziden toplanması ve sayıma hazırlanması kolay ve ucuz olmalıdır, Hava kirliliği ile ilgili bir çalışma ve direkt olarak atmosferden gelen kirleticilerin monitoringi yapılıyorsa atmosferden gelen kirleticileri iyi biriktiren karayosunu ve likenler gibi organizmalar, toprağın monitoringi yapılıyorsa topraktan beslenen organizmalar biyoindikatör olarak kullanılmalıdır. Karayosunu ve likenler tüm besinsel ihtiyaçlarını atmosferden gelen nemli ve kuru partiküllerin emilimi yoluyla karşılamaktadır. Otsu bitkilerde ve yüksek bitkilerde olduğu gibi toprağa gelişmiş bir kökle bağlı değillerdir. Özellikle karayosunlarının yüzey/hacim oranı otsu bitkilere oranla yaklaşık 10 kat daha fazladır (Mishev ve diğ., 1996). Likenler ise çok yavaş büyümeleri nedeniyle atmosferik radyonüklid kirliliğinin uzun vadeli kontrolünde çok kullanışlı organizmalardır. Bir bölgede çeşitli liken türlerinin bolca bulunması o bölgenin havasının temiz olduğunun SO 2 gibi kirletici gazların fazla olmadığının göstergesidir. Bu özellikleri, karayosunları ve likenlerin atmosferik radyonüklid kirliliğinin belirlenmesi çalışmalarında günümüzde yaygın bir şekilde kullanılan biyoindikatör organizmalar olmalarını sağlamıştır. Biyomonitör olarak çimenlerin, ağaç kabuk ve dallarının, mantarların, eğrelti otu vb. organizmaların kullanıldığı çalışmalarda radyonüklidlerin atomosferik alımından daha çok topraktan alımı söz konusu olduğundan bulunan değerler atmosferik birikimi yansıtmamaktadır (Sloof, 1998). Endüstri ve şehirleşme kaynaklı metalik atıkların atmosfere salıverildiğ bölgelerde karayosunları ve likenlerin yüksek bitkilere oranla daha fazla metal biriktirdiği gösterilmiştir. KARASAL BİYOİNDİKATÖRLER Karayosunu Karayosunları, ciğer yosunları ve boynuzlu yosunları da kapsayan Bryophyta sınıfına dahil olan, iletim demetleri (ksilem ve floem dokuları) olmayan, dolayısıyla suyu ve çözünmüş organik maddeleri doğrudan tallerinde biriktiren bitkilerdir. Çok hücreli ve fotosentetik bitkilerdir. Karayosunlarının gerçek kökleri, yaprak, gövde, çiçek ve tohumları yoktur. Kök yerine bir ya da çok hücreden oluşan rizoidler (köksü yapılar) bulunur. İletim demetleri olmadığı için nemli ve suya yakın yerlerde yaşamaktadırlar. Karayosunlarının, türü, 700 cinsi ve familyası bilinmektedir. Hypnum

6 6 cupressiforme türünde olduğu gibi karayosununun birçok türünde sadece bir hücre tabakasından oluşabilecek incelikte tüyler bulunmaktadır. Bu yüzden yüzey/hacim oranı çok fazladır. Karayosunlarının toprak erozyonunu önlediği, suyu ve besinsel elementleri tuttuğu bilinmektedir. Liken Likenler radyoaktif kirliliğin nitel ve nicel olarak değerlendirilmesinde kullanılan biyoindikatör organizmalardır. Alg ve mantarların bir araya gelerek meydana getirdikleri morfolojik ve fizyolojik birlikteliklerdir (Brauner, 1946; Tyler, 1989). Morfoloji bakımından kendilerini oluşturan alg ve mantarlardan tamamen farklı bir yapıdadırlar. Buna rağmen, alg ve mantar kısımları genellikle ayırt edilebilmektedir. Telsi yapıda fungiye genellikle fotosentetik yeşil alg ya da bir siyanobakterinin eşlik etmesiyle oluşmaktadırlar. Genellikle bu biyolojik yapının %90 ını fungal ortak oluşturmaktadır (Tyler, 1989). Fungal ortak, ortamdaki su ve suda çözünmüş maddeleri alg kısmına kazandırırken, alg fotosentez yoluyla sentezlediği organik maddeleri ve oksijeni fungal ortağa vermektedir (Ahmadjian, 1973; Tyler, 1989). Likenlerin yapısına katılan mantarlar, çoğunlukla Ascomycetes, ender olarak da Basidiomycetes sınıfına dahil olan heterotrof organizmalardır. Bunların çoğu algal ortak olmadan gelişemez. Bunun tersine, alg türlerinin çoğu, mantar kısmı (mycobiont) olmadan gelişimini sürdürebilmektedir (Tyler, 1989). Likenin yapısındaki algler ise genellikle Chlorophyceae (yeşil algler), nadir olarak da Cyanophyceae (mavi-yeşil algler) sınıfına dahil olan ototrof organizmalardır (Tyler, 1989). Yüksek bitkilerin aksine likenlerin kökleri, stomaları veya iyi gelişmiş kutikulaları yoktur. Likenler, kuru ve nemli birikimle gelen özellikle katyonları bünyesine alır (Kershaw, 1985; Nash, 1996). Likendeki radyonüklid konsantrasyonu, uzun zaman içinde kuru ve nemli olarak atmosferden gelerek biriken radyonüklid miktarının ortalamasıdır. Likenler genellikle çok yavaş büyürler ve uzun ömürlüdürler. 10 yıl ila yüzlerce yıl arasında yaşamaktadırlar (Hale, 1974). Özellikle çok genç ve çok yaşlı olduklarında 6 daha yavaş büyümektedirler. Yıllık büyüme miktarı liken türüne göre 0.5 mm ila 50 mm arasında değişmektedir. DENİZEL BİYOİNDİKATÖRLER Karasal biyoindikatörlere benzer şekilde denizel biyoindikatörler de çalışılan radyonüklidi (ağır metal,vb. kimyasal kirleticiler) yüksek miktarda biriktirmeli, bu kirleticilerin yüksek konsantrasyonlarına dayanıklı olmalı, saha şartlarında bulunması ve toplanması kolay olmalı ve tercihen belirli bir bölgede yerleşik (sesil, sedentary) yaşamalıdır. Midye, istiridye, deniz kestanesi gibi türler belirli bir bölgede yaşadıklarından o bölgede bulunan deniz suyunun özelliklerini radyoaktif kirletici miktarlarını iyi yansıtan biyoindikatörlerdir. Yüksek miktarda deniz suyunu süzerek bu sudaki mikroskobik fitoplanktonla beslenirler. Bu nedenle hem besinlerinde bulunan hem de suda bulunan kirleticileri vücutları içerisine alarak dokularında biriktirirler.

7 7 Eğer kirleticileri yüksek miktarda biriktiriyorsa bentik (dipte yaşamayan) olmayan ve belirli bir bölgede sabit yaşamayan türler de biyoindikatör olarak kullanılabilmektedir. Örneğin bazı sefalopod türleri (mürekkep balığı vb.) metalleri aynı yerde yaşayan diğer türlere göre yüksek miktarda biriktirdiğinden metal biyoindikatörü olarak kullanılabilir. Midyeler Midyeler yaşadıkları ortamdaki radyonüklidleri vücutlarında biriktirme yeteneğine sahip olmalarına karşın, çok sınırlı hareket edebildiklerinden bu radyonüklidleri elimine etme yeteneği bulunmayan organizmalardır. Midyelerin radyoaktif kirliliği yansıtan iyi indikatör organizmalar olmasının başlıca nedenleri; yüksek miktarda su filtre etmeleri (3-5 cm boyutundaki bir M. galloprovincialis günde litre deniz suyunu süzmektedir) (Angelo ve diğ., 2007), suda bulunan fitoplankton ve partiküler materyali yiyerek beslenmeleri ve belirli bir bölgede sabit bir şekilde yaşamalarıdır (El-Sikaily, 2004; Topçuoğlu, 2005a). Midyelerde radyonüklidler, biyolojik ve fizyolojik olaylarla hem sudan hem de beslenme yoluyla aldıkları organik materyalden dolayı sert ve yumuşak dokularda birikmektedir. Böylece midyeler denizel kirleticilerin izlenmesi için sıklıkla kullanılan organizmalar olmuşlardır. Sediment İNORGANİK İNDİKATÖRLER Sediment, denizel ortamın önemli bir komponenti olup kimyasal ve fiziksel işlemler ile taşların ve/veya organik materyallerin küçük parçalara ayrılması sonucu oluşmakta ve daha sonra suyun hareketi ile dibe çökerek birikmektedir (Hoda ve diğ., 2010). Sediment coğrafik alan içerisinde kirleticilerin birikimi ve taşınmasında önemli bir rol oynamaktadır. Sedimentlerin deniz canlıları için besleyici ve toksik maddelerin bir toplanma alanı olduğu belirtilmiştir (Long ve diğ., 1996; Fichet ve diğ., 1998). Ayrıca denizde yaşayan tüm organizmaların ölüleri, çeşitli atıkları ve dışkıları ile birlikte atmosferden yerçekimi etkisiyle deniz yüzeyine çökelen canlı ve cansız maddeler deniz dibine doğru çökelmekte ve sedimentin organik madde içeriğinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Kirletilmiş çevrelerde balık ve midyeler tarafından alınan birçok radyonüklid ve kimyasal kirletici besin zinciri boyunca insana kadar taşınabilmektedir. Dolayısıyla sediment yaygın besin ağı boyunca radyonüklid ve kimyasalların taşınmasında başlangıç noktası olarak kabul edilmektedir (Malins ve diğ., 1984; Misitano ve diğ., 1994). Böylece, toksik maddelerin dağılımı ve transferindeki durumun genel olarak anlaşılmasında sediment analizi oldukça önemlidir. Denizel sedimentteki 137 Cs konsantrasyonu sedimentin partikül büyüklüğü, mineral kompozisyonu ve organik madde içeriğine bağlı olarak değişmektedir. 137 Cs toprakta olduğu gibi katyon değişim kapasitesinin yüksek olduğu sedimentlere daha fazla bağlanabilmektedir. Sedimentlerdeki organik madde ve 137 Cs arasındaki anlamlı ilişki yapılan çalışmalarda belirtilmiştir (Templeton ve Preston, 1966; Miettinen ve Lax, 1980). Denizel sedimentin komponentlerinden biri olan organik maddenin 137 Cs radyonüklidinin tutulmasında kilin ana minerali olan illit ile karşılaştırıldığında daha önemli bir role sahip olduğu belirtilmiştir (Kim ve diğ., 2007).

8 8 GAMA SPEKTROMETRESİ Gama spektrometrik ölçümlerde her türlü çevresel örnekte kimyasal işlem gerekmeden sadece fiziksel işlemlerle örnek hazırlanmaktadır. Örnekte gama ışını yayan hangi radyonüklidlerin bulunduğu (kalititatif) ve spesifik aktiviteleri (kantitatif) belirlenebilmektedir. Gama spektrometresi çeşitli matrikslerdeki gama yayan radyonüklidlerin tanımlanması ve miktar tayininde kullanılan oldukça hassas bir ölçme yöntemidir. Nükleer endüstride monitoring, Sağlık fiziği, Nükleer tıp, Çevre bilimleri, Radyoekoloji ve Endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Örnekteki gama ışınlarının yarı-iletken dedektörle interaksiyonu sonucu oluşan fotoelektrik olay ve sonuç olarak spektrumda belirlenen fotopikler yardımıyla aktivite hesabı yapılır. Fotopiklerin büyüklüğü ne kadar büyükse o radyonüklidin örnekteki aktivitesi o kadar fazladır. Aynı ölçüm sürecinde birden fazla radyonüklidin aktivitesi ölçülebilir. Gama dedektörlerinde aktif kısım genellikle yüksek saflıkta germanyumdan yapılmaktadır. Bununla birlikte gama dedektörünün içinde bulunduğu kap berilyum, karbon fiber veya alüminyumdan imal edilmektedir. Berilyum ve karbon fiber 5-10 kev gibi çok enerjisi düşük gama ışınlarının bile ölçülmesine olanak sağlar. Ölçümü yapılacak örnekte herhangi bir kimyasal işlem gerekmezken örneklerin kurutulması ve genellikle değirmende toz haline getirilmesi gerekmektedir. Aktivitesi bilinen standart radyoaktif kaynaklar kullanılarak gama dedektörünün verim eğrisi oluşturulur. Örnekler standart radyoaktif kaynağın sayım geometrisine eş sayım geometrisi oluşturacak şekilde hazırlanır. Aktivite hesabı yapılarak sonuçlar Bq/kg veya Bq/g biriminden verilir. Gama spektrometresinde ölçülebilen radyoekoloji çalışmalarında önemli bazı radyonüklidler Radyonüklid Menşei Bozunma türü Enerjisi (kev) Gama yayınlama olasılığı 210 Pb Doğal (uranyum serisi) Β -, γ Pb Doğal (toryum serisi) Β -, γ Ra Doğal (uranyum serisi) α, γ Be Doğal (kozmojenik) γ Cs Yapay Β -, γ Cs Yapay Β -, γ Co Yapay Β -, γ K Doğal (primordiyal) Β -, γ

9 9 Gama spektrometresinde Aktivite Hesabı A = PA t m ϵ Iγ A- Spesifik aktivite (Bq kg -1, Bq g -1, Bq l -1 ) PA- Radyonüklidin spektrumdaki pik alanı t- Sayım süresi (saniye) m- Örnek ağırlığı (kg, g) ϵ Radyonüklidin nisbi verimi Iγ Radyonüklidin gama yayınlama olasılığı Back-ground piki olan radyonüklidlerde ( 40 K, 226 Ra vb.) örnekle aynı geometride saf su ile alınmış sayım ile BG düzeltmesi yapılmalıdır. Saf su sayımı Pik Alanı PA BG PA BG/s Saniyede oluşan BG pik alanı A = PA (t PABG s ) t m ϵ Iγ

10 10 Yarı-ömrü nispeten kısa olan radyonüklidler için örneğin toplandığı zamanki aktivitesini (A 0 ) bulmak için fiziksel yarı-ömür düzeltmesi yapılmalıdır. A = A 0 e λt Toprak veya sediment örneğinde gama izotopik ölçüm Aşağıda gama spektrometresinde bir sediment örneğinin gama izotopik sayımı sonucunda elde edilen spektrum bulunmaktadır. Aşağıda sıralanan verilere göre bu örnekteki Cs-137 ve K-40 aktivitelerinin (Bq/kg) hesaplanması

11 11 Örnek Soru Hava filtreleri havada askıda bulunan partikülleri güçlü bir vakum yardımıyla üzerinde toplayabilmektedir. Buna göre günde 250 m 3 hava vakumlayan bir cihaz ve 2.5 µm por çaplı bir filtre kullanılarak örnek toplanmıştır. Bir günde toplanan partikül maddenin gama spektrometresinde ölçümü yapılmıştır. Bu bölgede havada (havada bulunan çapı 2.5 mikrondan küçük partiküllerde PM2.5) bulunan Be-7 aktivitesini Bq/m 3 biriminden bulunuz. Sayım sonucunda elde edilen veriler şu şekildedir: NOT: Be-7 (477.6 kev) aktivitesi bilinen bir hava filtresi kullanılarak dedektörün Be-7 verim hesabı yapılmış ve Be-7 verimi 0.20 olarak bulunmuştur. Not: Hava filtresi örneğinin toplanması ve gama sayımı arasında geçen süre 15 gündür. t= s Iγ = Be-7 Pik alanı: 750 A = PA t m ϵ Iγ

12 12 A = A = Bq/250 m x 10-3 Bq/m mbq/m 3 A = A 0 e λt = A 0 e 0.693t/Tf x 15/ = A 0 e mbq/m 3 Birçok yapay veya doğal radyonüklidin aktiviteleri gama spektrometresinde ölçülebilirken bazı radyonüklidler 1) gama ışını yaymaması (sadece alfa, beta yada her ikisi) 2) yaydığı gama ışınlarının yayınlanma olasılığının çok düşük ve 3) oluşturduğu fotopikin başka bir radyonüklidin fotopiki ile üst üste binmesi gibi nedenlerle gama spektrometresinde ölçülemezler. Bu radyonüklidler yaydıkları alfa veya beta radyasyonu sayesinde ölçülebilmektedir. Beta radyasyonu yayan ve beta sıvı sintilasyon cihazı ile aktiviteleri ölçülebilen radyonüklidlere Ca-45 ve H-3 örnek verilebilir. ALFA SPEKTROMETRESİ Alfa spektrometresinde 210 Po, 239 Pu, 238 U, 226 Ra gibi bazı alfa yayıcı radyonüklidlerin aktiviteleri ölçülebilmektedir. Bu radyonüklidlerin alfalarının enerjileri gamada ölçülen radyonüklidlerin gama enerjilerine göre daha yüksektir. Şöyleki: gama spektrometresinde oluşan gama piklerinin büyük kısmı 0 ila 2000 kev arasında iken 210 Po, 239 Pu, 238 U, 226 Ra radyonükidlerinin alfa enerjileri kev arasındadır. Organik (balık eti, midye, karayosunu, liken, insan tırnağı vb.) veya inorganik (sediment, toprak, hava filtresi vb.) örneklerde alfa yayan radyonüklidlerin belirlenmesi için öncelikle bazı kimyasal işlemlerin yapılması gerekmektedir. Örneğin 210 Po ölçümü için örnekler önce mikrodalga sindirime cihazında konsantre asitlerle sindirilir. Sonra örnekteki polonyum gümüş disk üzerinde biriktirilir (spontane depozisyon). Bu işlemler sırasında örneğe eklenen 209 Po ile ölçüm verimi de hesaplanır. Alfa spektrometresinde ölçüm işlemi yapıldıktan sonra örnekteki aktivite Bq/kg veya Bq/g biriminden hesaplanır. Aynı anda çok sayıda örnekte (genellikle 4,8,16) alfa yayan radyonüklidin spesifik aktivitesi ölçülebilir. Alfa taneciklerinin giriciliği az olduğundan küçük odacıklar içinde sayım yapılır Alfa radyasyonunun giriciliğinin az olması dedekte edilebilmesi için özel şartların sağlanmasını gerektirmektedir. Bilindiği gibi yüksek enerjili alfa radyasyonunun bile havada giriciliği 1-2 cm dir. Alfa spektrometrik ölçümlerde örnekten gelen alfa partikülerinin dedektöre ulaşabilmesi için dedektör-

13 13 örnek arasındaki hava basıncının odacık içine yüksek vakum uygulanarak (10-50 mtorr) değerine düşürülmesi gerekmektedir. Bu sayede gümüş diskte biriktirilen 210 Po dan yayılan alfa havanın zırhlayıcı etkisinden daha az etkilenerek dedektöre ulaşabilmektedir. Yine aynı nedenle örneğin ince ve küçük bir disk biçimine getirilmesi gerekmektedir. Sekiz dedektörü bulunan bir alfa spektrometresi Po-210 Polonyumun bütün izotopları radyoaktiftir, stabil izotopu yoktur. Bu izotoplardan en önemlisi ve çevremizde bulunanı 210 Po dur. 210 Po uranyum bozunma serisinde bulunur, doğal bir radyonükliddir. Bozunma hızının yüksek olması, yüksek enerjili alfası ve canlılarda yüksek miktarda birikmesi nedeniyle yeryüzündeki en radyotoksik elementlerden biridir. Po kev enerjili alfa radyasyonu yayar. Canlıların özellikle protein yapılarına bağlanır. Omurgasızlarda hemosiyanin (Cu bağlı oksijen taşıyan metaloprotein) ve omurgalılarda ferritin (demir bağlama proteini) bol miktarda Po-210 birikmesine neden olur. Deniz omurgasızlarının hepatopankreaslarında yüksek miktarlarda birikir. Deniz omurgasızlarında biriken toplam Po-210 un %60 ı hepatopankreaslarının sitosollerinde bulunmaktadır. Volkanik patlamalar, sonucunda atmosfere büyük miktarda gaz halinde açığa çıkar. Uranyum madenleri, fosil yakıt kullanımı ve kömür yakan termik santraller çevreye polonyum salınmasına neden olmaktadır. İnsanların deniz ürünleri tüketimi nedeniyle aldıkları radyasyon dozunun yaklaşık %70 i Po- 210 dan kaynaklanmaktadır. Polonyum parçacık reaktif yapıda bir elementtir. Midye örneğinde Po-210 aktivitesinin ölçülmesi Midye örneğinde Po-210 aktivitesinin ölçülmesi için 0.3 g kurutulmuş midye yumuşak doku örneği HNO 3 ile mikrodalga fırında yüksek sıcaklıkta sindirilmiş, asidi buharlaştırılmış, gümüş disk üzerinde biriktirilmiş ve alfa spektrometresinde ölçüme alınmıştır. Aşağıda verilen alfa spektrumunda

14 14 saniye sayım süresi sonucunda oluşan Po-210 pik alanı 3000, Po-209 pik alanı 2000 olduğuna göre midyede bulunan Po-210 aktivitesini Bq/kg biriminden hesaplanması (verim hesabı için örneğe 0.1 Bq Po-209 eklenmiştir). 209 Po 4883, 4885 kev, 210 Po 5304 kev Örneğe eklenen 0.1 Bq 209 Po 0.01 Bq olarak ölçüldüyse bu ölçüm için ölçüm verimi %10 demektir. Bu verim nitrik asit (HNO 3 ) ile mikrodalga fırında yüksek sıcaklıkta sindirme, asidi buharlaştırma, gümüş disk üzerinde biriktirme ve alfa spektrometresinde ölçüm işlemlerinin hepsini kapsamaktadır.

15 15