Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.
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
части дерева
|
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
|
|