Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.
Раздел 4. Радиационная экология экосистем
4.2. Радионуклиды в искусственных агробиогеоценозах
Решение основных экологических вопросов в
случаях загрязнений местности в чрезвычайных ситуациях связано в основном с
искусственными агробиогеоценозами.
Радиоактивные частицы, находящиеся в нижних слоях
атмосферы (в тропосфере), осаждаются на растительный и почвенный покров в
течение нескольких часов, а стратосферного происхождения – в течение длительного
периода – десятки лет (примерно 10% от общего количества ежегодно после выброса
в стратосферу). Они выпадают в результате вымывания атмосферными осадками («мокрое
выпадение») или в виде сухих частиц за счет гравитационных сил, вертикального
движения воздушных масс и турбулентной диффузии («сухое» отложение). Максимальное
выпадение наблюдается в весенне-летний период (около 60% годового отложения),
менее интенсивное выпадение – в осенне-зимний период. Известно, что основное
количество долгоживущих радионуклидов стронция и цезия попало в атмосферу до
заключения в 1963 году Московского договора о запрещении испытания ядерного
оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.
Миграция радиоактивных частиц, выпавших на
поверхность земли, происходит по биологическим цепочкам, начиная от
внекорневого
поступления их в растительный биоценоз по определенным закономерностям.
Радиоактивные вещества, попадающие на
вегетирующие посевы, задерживаются на растениях, оседают на поверхности почвы.
Первичное удерживание зависит от плотности растительного покрова, морфологии растений, размеров и агрегатного состояния
радиоактивных веществ, метеорологических условий в момент выпадения
радиоактивных осадков.
По мере увеличения запаса растительной
массы на единицу площади повышается степень удерживания радионуклидов.
Таблица 49 –
Первичное удерживание радионуклидов, % от нанесенного количества
Фаза развития
|
Масса растений
на 1 м2, кг
|
90Sr
|
137Cs
|
Кущение
|
0,1
|
24
|
16
|
Выход
в трубку
|
0,3
|
28
|
24
|
Цветение
|
0,6
|
52
|
48
|
Молочная
спелость
|
0,8
|
48
|
62
|
Восковая
|
0,9
|
50
|
62
|
Первичное удержание водорастворимых форм РВ в 4-7 раз
выше, чем нерастворимых. С увеличением размера частиц уменьшается их
удерживание растениями. Различные сельскохозяйственные культуры обладают
неодинаковой способностью удерживания РВ.
Таблица 50 –
Величина первичного удерживания РВ
сельскохозяйственными культурами, %
Культура
|
Водорастворимые формы
|
Нерастворимые формы
|
Пшеница
яровая
|
71
|
13
|
Ячмень
яровой
|
51
|
19
|
Овес
|
51
|
12
|
Просо
|
51
|
10
|
Горох
|
74
|
31
|
Гречиха
|
39
|
–
|
Картофель
|
25
|
–
|
У некоторых растений
хозяйственно ценные части урожая достаточно надежно защищены от загрязнения –
зерно бобовых культур, просо, риса, ячменя, овса, початки кукурузы, клубни
картофеля, корнеплоды.
Неодинаковая способность
растений к первоначальному удержанию РВ обуславливает большие различия в
уровнях загрязнения урожая.
Наиболее высоким
содержанием 90Sr на
единицу массы отличаются вегетативные органы растений (десятки и сотни раз
выше, чем в зерне, клубнях и корнеплодах), в зерне гречихи наблюдается
максимальная концентрация, минимальная – в зерне гороха.
Выпадение 90Sr и 137Cs
наиболее опасно для овощных культур, причем радиоцезий включается в метаболизм
растений.
При выпадении РВ на луговую
и пастбищную растительность значительная их часть задерживается в нижней части
растений и в верхнем слое прикорневой дернины, откуда поступают в растения
через основание стебля и поверхностные корни, также образуют «дернинный
резервуар».
РВ, попадающие в почву,
частично вымываются и загрязняют грунтовые воды, но почва довольно прочно
удерживает их и обеспечивает очень длительное их нахождение в почвенном
горизонте и поступление в сельскохозяйственную продукцию за счет почвенного
поглощающего комплекса (ППК).
Гранулометрический состав
почвы влияет на закрепление РВ в почве следующим образом:
– тяжелые почвы сильнее
закрепляют поглощенные радионуклиды, чем легкие;
– радионуклид 137Cs
поглощается и удерживается почвой в большей степени, чем 90Sr.
Минералогический состав
почвы также оказывает существенное влияние на эти процессы. Наибольшей
поглотительной способностью обладают минералы монтмориллонитовой группы и
группы гидрослюд, наименьшей – каолинитовой группы. Поглощенный 137Cs в
отличие от 90Sr
прочнее сорбируется минералами.
Механизм усвоения
радионуклидов корнями растений сходен с поглощением основных питательных
веществ – макро- и микроэлементов. Определенное сходство наблюдается в
поглощении растениями и передвижении по ним 90Sr и 137Cs и их
химических аналогов – кальция и калия. В наибольших количествах поглощается
растениями 137Cs,
значительно меньше – 90Sr,
еще в меньших количествах – 60Co, 106Ru, 144Ce, 147Pm (концентрируются
преимущественно в корневой системе). Радионуклиды, поступившие в надземную
часть растений зерновых культур, в основном концентрируются в соломе (листья и
стебли), меньше – в мякине (колосья, метелки без зерна). С возрастом
растений в их надземных органах увеличивается абсолютное количество
радионуклидов и снижается содержание на единицу массы сухого вещества.
После
накопления радиоактивных веществ растениями начинает работать следующее звено
перемещения радионуклидов, а именно миграция их в организм животных и человека
(рис. 16). Дикие и домашние животные, потребляя загрязненную растительную пищу,
накапливают радионуклиды, которые тут же начинают разрушать их организм
изнутри. Не все дикие животные одинаково накапливают радиоактивные цезий и
стронций. Меньше всего их концентрируют животные, питающиеся листьями
кустарников. К таковым относится, например, лось. В мясе этого животного в
10-12 раз меньше радиоцезия, чем в мясе кабана, промышляющего в лесной
подстилке.
Рис. 16. Схема
движения радионуклидов по пищевым цепочкам
Очень важно уметь
грамотно наладить сельскохозяйственное производство на загрязненных
радионуклидами землях. Все мероприятия должны быть направлены на защиту
населения и животных, т.к. радиорезистентность растений на порядок или два
порядка выше по сравнению с млекопитающими (табл. 51, 52).
Радиочувствительность бактерий и
простейших составляет 1000-3000 Гр, а бактерий Micrococcus
radiodurens, обитающих в каналах ядерных реакторов, – до 106 Гр.
Радиочувствительность сельскохозяйственных
культур определяется по снижению урожайности на 50% при облучении от всходов до
цветения, данные представлены в таблице 52.
Таблица 51
– Летальные дозы облучения биологических объектов, Гр
Вид
|
ЛД50/30
|
ЛД100/30
|
Морская
свинка
|
1,5-3,0
|
4,0-6,0
|
Мышь
|
4,6-7,5
|
7,0
|
Крыса
|
5,0-7,0
|
10,0
|
Овца
|
1,5-4,0
|
5,5-7,5
|
Ягнята
до 3 мес.
|
1,5-3,0
|
6,0
|
Крупный рогатый
скот
|
1,6-5,5
|
6,5
|
Телята
до 5 мес.
|
2,0-5,5
|
8,0
|
Свинья
|
2,5-3,0
|
4,5
|
Поросята
до 2 мес.
|
2,5-6,0
|
–
|
Лошадь
|
3,5-4,0
|
5,0-6,5
|
Осел
|
2,1-5,5
|
7,5
|
Коза
|
2,5
|
–
|
Верблюд
|
2,5-4,0
|
4,0-6,0
|
Собака
|
2,0-3,5
|
4,0-5,0
|
Кошка
|
5,0-7,5
|
8,0
|
Щенки
до3 мес.
|
4,5-7,0
|
8,0-10,5
|
Человек
|
2,5-5,5
|
4,0-6,0
|
Обезьяна
|
2,5-6,0
|
8,0
|
Летучая
мышь
|
5,0-8,0
|
9,5
|
Хомяк
|
5,5-8,0
|
-
|
Полевка
|
6,0-9,0
|
9,0-10,0
|
Суслик
|
6,0-9,5
|
9,0-11,5
|
Сурок
|
8,0-10,0
|
11,0-12,0
|
Кролик
|
10,0-13,0
|
14,0
|
Монгольская песчанка
|
-
|
15,0-18,0
|
Птицы, рыбы
|
8,0-20,0
|
-
|
Насекомые
|
10,0-100,0
|
-
|
Змеи
|
80,0-200,0
|
-
|
Растения
|
10-1500
|
|
Таблица 52 – Радиочувствительность
основных сельскохозяйственных культур
Сельскохозяйственные культуры
|
Экспозиционная доза, Р
|
Горох,
озимая рожь
|
2000
|
Пшеница,
ячмень, овес, подсолнечник
|
3000
|
Гречиха, просо, томаты
|
5000
|
Лен
|
10000
|
Картофель
|
15000
|
Сахарная свекла, турнепс
|
20000
|
Капуста, морковь,
столовая свекла
|
25000
|
Действие ионизирующей радиации на
растительные клетки обусловлено ионизацией молекул, при которой образуются
ионы и свободные радикалы из молекул воды, неорганических и органических
соединений.
Химический этап взаимодействия энергии с
веществом начинается с образования в облученных клетках активных радикалов и
перекисей, энергично вступающих в химические реакции с ненарушенными
молекулами других веществ клетки. Третий этап действия радиации на живую клетку
– биологический.
Радиационно-химические изменения ведут к
нарушению во всех частях и биологических структурах клетки – происходят
изменения в молекулярных структурах ядер клеток, в хромосомном аппарате, в ДНК
и РНК.
Далее следуют изменения физиологических
функций клеток, повреждение ядерного аппарата, нарушение ростовых процессов,
появление внешних морфологических аномалий и изменение генома, нарушается
согласованный процесс ДНК – РНК – белок. Поражение ДНК обуславливает мутагенное
действие радиации, обуславливают хромосомные аберрации (перестройки), разрывы и
другие нарушения.
Хотя клетка реагирует на излучение как
единое целое, цитоплазма обладает сравнительно высокой чувствительностью, а
ядро проявляет высокую чувствительность даже к небольшим дозам ионизирующей
радиации.
Различные хромосомные нарушения являются
одной из основных причин задержки митоза и гибели клеток. Избирательность
действия ИИ на различные ткани определяется законом Бергонье-Трибондо, согласно
которому более радиочувствительны интенсивно делящиеся клетки (меристемные,
ростковые клетки).
Очень важна способность клеток и тканей – противостоять
неблагоприятным и повреждающим воздействиям ИИ, в ответ на которые включаются
процессы репарации (восстановления).
Радиочувствительность разных видов и
сортов растений колеблется в широких пределах.
Критические дозы облучения семян на
порядок выше, чем вегетирующих травянистых растений. Для большинства
вегетирующих растений критическая доза оценивается 1-5 крад, а летальная – в
5-10 крад, соответствующие дозы для облучения составляют 30-50 крад.
Радиорезистентность (радиоустойчивость)
растений в разные периоды онтогенеза колеблется в значительной степени и
составляет в последовательностях:
1) семена молочной спелости – восковой
спелости – полной спелости – покоящиеся – возрастает;
2) семена покоящиеся – прорастающие – всходы
– снижается;
3) всходы – заложение вегетативных органов – заложение
оси соцветия – возрастает;
4) от заложения оси соцветия и перехода к
генеративному состоянию – формированию элементов цветка – спорогенез –
повышается;
5) от спорогенеза до гаметогенеза –
снижается.
Снижение урожайности зерна
озимых культур в зависимости от гамма-облучения в разные фазы развития
представлено в таблице 53.
Таблица 53 – Снижение урожайности зерна озимых
культур, %
Фаза развития
|
Доза облучения, Р
|
1000
|
2000
|
3000
|
Кущение
|
5
|
25
|
55
|
Выход
в трубку
|
25
|
55
|
80
|
Колошение
|
15
|
20
|
28
|
Цветение
|
8
|
13
|
21
|
Молочная
спелость
|
5
|
7
|
9
|
Полная спелость
|
0
|
0
|
0
|
Зерновые бобовые культуры
обладают наибольшей радиочувствительностью в период бутонизации.
Продовольственное и техническое качество сельскохозяйственной
продукции существенно не ухудшается даже при снижении урожайности до 30-40% от
контроля (необлученных растений).
Содержание белка и клейковины в зерне
пшеницы, рассчитанное на единицу массы, не снижается.
Снижение масличности семян подсолнечника
(на 8-27%) наблюдается при облучении растений в фазы генеративного развития
дозами 3-10 крад.
Аналогичная закономерность наблюдается и
по выходу сахара в урожае корнеплодов.
Посевные и посадочные качества семян и клубней
снижаются. При облучении картофеля до периода бутонизации и цветения клубни
получаются безростковыми из-за высокой радиочувствительности
промеристематических клеток, но они по содержанию крахмала и по вкусовым
качествам не отличаются от обычных клубней. Данные по снижению полевой
всхожести до 50% представлены в таблице 54.
Таблица 54 – Дозы
облучения, при которых семена непригодны для посева
Культуры
|
Фазы развития
|
Доза, Р
|
Зерновые
озимые
|
1. Выход
в трубку, колошение, цветение
2. Всходы, кущение
|
2500
1000
|
Зерновые
яровые
|
1. Цветение
2. Всходы, кущение, выход в
трубку, колошение
|
2500
7000
|
Кукуруза
|
Выметывание
метелки, цветение
|
7000
|
Горох
|
1. Всходы,
бутонизация, цветение
2.
Созревание
|
23500
20000
|
4.2.1. Особенности ведения сельскохозяйственного производства в ближайший период после выпадения радиоактивных осадков
4.2.2. Ведение сельскохозяйственного производства в период «йодной опасности»
4.2.3. Ведение сельскохозяйственного производства в период поверхностного загрязнения почвы радиоактивными веществами
4.2.4. Ведение сельскохозяйственного производства в период корневого поступления РВ в растения
4.2.5. Прогнозирование поступления радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию
|