Geum.ru

Ю. А. Александров Основы радиационной экологии Учебное пособие

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


Радиационная экология экосистем
Подобный материал:
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   ...   36


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



4.1.1. 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.