Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.
Предыдущая |
Содержание статьи:
Раздел 4. Радиационная экология экосистем
4.1. Наземные экосистемы
Наземные экосистемы тесно связаны с почвой. Исследования в системе «почва – раствор» (Куликов и др., 1990) показали, что прочность поглощения почвой искусственных и естественных радионуклидов зависит, во-первых, от природы самих химических элементов, во-вторых, от свойств почвы и состава почвенных растворов.
Из всех естественных радионуклидов наиболее прочно связываются в почвах уран и торий, а из искусственных – плутоний, железо и цезий. Плутоний, стронций и цезий в целом довольно медленно мигрируют в вертикальном разрезе почв, о чем свидетельствуют данные распределения этих радионуклидов в почвах на территории ВУРС-а (Мартюшов и др., 1995). Линейная миграция их составляет не более 1 см/год (табл. 44).
Таблица 44 – Распределение радионуклидов в почвах на территории ВУРС-а
через 36 лет после аварии, % от содержания в слое 0-30 см
(Мартюшов и др., 1995)
Почва |
Глубина, см |
||||||||
0-2 |
10-20 |
20-30 |
|||||||
239Pu |
90Sr |
137Cs |
239Pu |
90Sr |
137Cs |
239Pu |
90Sr |
137Cs |
|
Серые лесные |
73 |
55 |
68 |
14 |
26 |
23 |
13 |
19 |
9 |
Черноземные |
60 |
42 |
60 |
31 |
34 |
29 |
9 |
24 |
11 |
Черноземно-луговые |
86 |
71 |
78 |
10 |
21 |
20 |
4 |
8 |
2 |
Химические элементы существуют в почвах в растворенном и адсорбированном состояниях. В первом случае они легкодоступны для растений, а во втором – нет. Сорбционная способность почв зависит в первую очередь от их состава. Чем больше в почве органики (особенно гумуса) и илистых частиц, тем прочнее она фиксирует радионуклиды. Этими качествами обладают луговые почвы, которые хорошо связывают радиоизотопы. К снижению подвижности всех радионуклидов в системе «почва – раствор» приводит и увеличение времени взаимодействия почв с этими химическими элементами.
Большое влияние на поглощение радионуклидов почвой оказывает рH почвы и состав почвенного раствора. Поглощение почвой железа, церия, кобальта, иттрия с повышением рH снижается. Особенно это заметно в случае наличия в почвенном растворе ионов трехвалентного железа и алюминия, что связано с сорбцией радиоизотопов на коллоидах гидроокислов этих элементов, трудно сорбируемых почвами.
В Институте экологии растений и животных УО РАН были проведены опыты со сложными искусственными соединениями (комплексонами), которыми пропитывали почву, содержащую радионуклиды
(Куликов и др., 1990). В частности, использовался этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) с химической формулой C10H16O8N2. Установлено, что в присутствии этого химиката резко снижается сорбция почвой железа, кобальта, иттрия, церия и в меньшей степени стронция. На сорбцию почвой цезия комплексен не оказывает влияния. В данном случае радионуклиды образуют с ЭДТА прочные соединения, которые остаются в почвенном растворе.
Примерно такой же эффект дают экстракты из опавших листьев. В присутствии этих экстрактов в почвенных растворах растворимость большинства радионуклидов увеличивается в 5-6 раз, что вызывает переход радионуклидов из почвы в почвенный раствор. Такое свойство растительных экстрактов объясняется способностью органических веществ переводить радиоизотопы в растворимые в воде комплексные соединения. Этот важный результат исследований можно использовать при дезактивации почв, содержащих указанные выше радиоизотопы. Однако при этом большая часть радиоактивного цезия остается в почве. Для извлечения из почвы радионуклидов рекомендуется использовать десорбенты, т.е. родственные катионы, способные вступать в такие же соединения, что и вытесняемые ими радионуклиды. Миграция радионуклидов в системе «почва – раствор» сильно зависит и от степени обводненности почв. Во влажной почве подвижность стронция возрастает в десятки раз по сравнению с почвами менее насыщенными водой. Проводились опыты по вытеснению радионуклидов из разных почв дистиллированной водой (Куликов и др., 1990). Оказалось, что радиоизотопы (особенно стронций) наиболее подвижны в почвах, обогащенных песчаной фракцией и наименее подвижны в дерново-луговых почвах.
Из этих экспериментов вытекает заключение, что почвы можно промывать от радионуклидов. Однако это чревато резким понижением их плодородия, поскольку при данной операции вместе с удаляемыми химическими элементами из почв уходит наиболее важная их часть – гумус.
Повышенная подвижность стронция, в сравнении с другими элементами, подтверждается и миграцией его в почвах по вертикали, на что указывают опыты с колонками (Куликов и др., 1990). В три металлические колонки высотой 30 см помещали увлажненную дерново-луговую почву, в поверхностный слой которой на глубину 2 см вносили радиоактивные элементы (стронций, цезий и церий). Коэффициент обводненности в первой, второй и третьей колонках составлял соответственно 0,2; 0,3 и 1. Эксперимент продолжался три месяца. В конце опыта из каждого двухсантиметрового слоя почвы были отобраны и проанализированы пробы.
Результаты показали, что вертикальная миграция стронция в почве возрастает с повышением ее обводненности. Этот радионуклид в первой колонке проник на глубину 6, во второй – 10 и в третьей – на 15 см. Глубина миграции цезия и церия не превышает 6 см и не зависит от степени увлажненности почвы.
Радионуклиды обладают способностью «старения». Такое свойство радиоактивного стронция было обнаружено А.И. Ильенко (1980). Наблюдения показали неизменное его содержание в 5-сантиметровом слое почвы в течение многих лет. В то же время концентрация этого радионуклида в скелете грызунов уменьшилась за этот же срок на 3 порядка. Ученые полагают, что это связано с постепенным переходом стронция в нерастворимые в воде соли.
С результатами, полученными при изучении подвижности радионуклидов в системе «почва – раствор», хорошо согласуются данные вегетационных опытов в системе «почва – растение».
Стронций слабо фиксируется в почве. Большая часть его находится в почвенном растворе, поэтому он легко поступает в растения В прямой зависимости от влажности почвы находится и биомасса растений. Следовательно, с повышением увлажненности почвы увеличивается общий (валовый) вынос радионуклидов растениями. Это обстоятельство с успехом используется при дезактивации почв. Радионуклиды переводятся из почвы в растения, дающие пышную зеленую массу. После этого следует их выкос и захоронение. Повышение температуры воды, используемой для полива, несколько увеличивает миграцию радионуклидов из почвы в растения.
Внесение в почву таких радионуклидов как железо, кобальт и иттрий совместно с искусственным комплексоном ЭДТА значительно повышает подвижность этих элементов, что вызывает увеличение поступления их в растения. Указанный комплексен почти не влияет на подвижность стронция, цезия и церия в системе «почва – растение».
Содержание радионуклидов в растениях зависит также от их индивидуальной способности избирательно аккумулировать в себе определенные химические элементы. В частности, некоторые представители растительных сообществ концентрируют радиоактивные вещества. К таким растениям относятся, в первую очередь, мхи и лишайники. М.Г. Нифонтовой (1997) установлено, что накопление радионуклидов этими растениями в значительной степени определяется уровнями радиоактивности глобальных атмосферных выпадений. Рисунок 15 четко демонстрирует увеличение концентрации радиоактивного цезия в этих растениях на целый порядок во время аварии на Чернобыльской АЭС 1986 года. Поэтому мохово-лишайниковую растительность рекомендуется использовать при проведении длительного радиоэкологического мониторинга окружающей среды.
Искусственные радионуклиды поступают в лишайники и мхи аэральным путем. Другие растения накапливают отдельные радионуклиды, заимствуя их преимущественно из почвы. В этом отношении интересна работа Е.Н. Караваевой и И.В. Молчановой (1998) о накоплении радионуклидов дикорастущими лекарственными растениями Ольховского болота в зоне влияния Белоярской АЭС, где наблюдается повышенная концентрация радионуклидов в почве. Некоторые виды лекарственных растений названного урочища (крапива двудомная, череда трехраздельная) накапливают значительные количества радиоизотопов стронция и цезия, тогда как другие травы, растущие рядом, этой способностью не обладают. Причем, если крапива накапливает оба радионуклида, то череда – преимущественно цезий.
Рис. 15. Динамика содержания 137Cs в надпочвенном мохово-лишайниковом
покрове (нижнее) и в почве (верхнее). На графике четко выделяется
Чернобыльский пик (Нифонтова М.Г., 1997)
Таблица 45 – Содержание радионуклидов в надземной массе лекарственных растений, Бк/кг (Караваева, Молчанова, 1998)
Виды растений |
90Sr |
137Cs |
||
1 |
2 |
1 |
2 |
|
Иван-чай узколистный |
24 |
9 |
– |
16 |
Крапива двудомная |
580 |
15 |
2043 |
12 |
Таволга вязолистная |
62 |
65 |
247 |
93 |
Горец змеиный |
61 |
15 |
678 |
40 |
Примечание. 1 – зона Белоярской АЭС, 2 – контрольный участок.
Как и в организме животных, распределение радионуклидов в разных частях растений неодинаково. Так большая часть искусственных радиоизотопов концентрируется в вегетативных частях растений и корнях, а меньшая – в семенах (табл. 46).
Таблица 46 – Содержание искусственных радионуклидов в культурных
сельскохозяйственных растениях (в % на единицу массы,
по А.И. Ильенко, Т.П. Крапивко, 1989)
Части растений |
Радионуклиды |
|||
90Sr |
137Cs |
114Ce |
106Ru |
|
Пшеница: семена |
4,26 |
4,8 |
0,2 |
0,1 |
вегетативные части |
90,03 |
78,2 |
3,0 |
4,2 |
корни |
5,71 |
17,0 |
96,8 |
95,7 |
Горох: семена |
1,45 |
21,4 |
2,4 |
– |
вегетативные части |
73,95 |
52,8 |
6,8 |
– |
корни |
24,6 |
25,8 |
90,8 |
– |
В древесине деревьев обычно накапливается меньше радионуклидов, чем в листьях или хвое. Коэффициент концентрации радиоизотопов в разных частях дерева зависит также от его вида (см. табл. 47).
Таблица 47 – Коэффициенты концентрации 137Cs в различных частях деревьев
(Рябов и др., 1997)
Структурные |
Коэффициенты концентрации |
||
сосна |
дуб |
береза |
|
Кора |
16,5 |
26,0 |
17,5 |
Камбий |
50,0 |
6,2 |
16,0 |
Древесина |
4,5 |
1,3 |
4,6 |
Ветки |
13,0 |
9,8 |
20,0 |
Листья (хвоя) |
86,0 |
32,0 |
68,0 |
Коэффициенты концентрации радиоизотопов у молодых деревьев выше, чем у старых, поскольку у последних обменные процессы замедленны. Коэффициенты накопления цезия-137 у разных ягод различаются в 2-3 раза (см. табл. 48).
Таблица 48 – Коэффициенты накопления 137Cs ягодами
(по Рябову и др., 2001)
Виды ягод |
Коэффициенты накопления |
Брусника |
10 |
Клюква |
13 |
Черника |
7 |
Земляника |
4 |
Малина |
3 |
Предыдущая |