Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Рецензия
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Рачкова Н.Г. 1, 2 Шапошникова Л.М. 1

---

1 ФГБУН Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

2 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина

На основе анализа содержаний и форм нахождения радионуклидов в биомассе, поверхностных водах, почвогрунтах и донных осадках подтверждена высокая способность водных и наземных мхов к аккумуляции урана и радия-226 в северотаёжных экосистемах зоны влияния бывшего радиевого промысла. При обогащенности техногенно нарушенных абиотических сред элементами минерализации и в присутствии в приповерхностных растворах форм нахождения радионуклидов, отличающихся дисперсностью частиц, моховый покров долговременно ограничивает миграцию радиоактивных загрязнений. Механизм этого процесса для водных мхов преимущественно связан с поверхностной сорбцией взвешенного радия и менее интенсивной аккумуляцией в клеточных структурах растворимых форм урана. В наземном моховом покрове сорбционная активность биомассы сфагнума выше, чем плеврозиума Шребера. Показатели биологического поглощения радия-226 у мхов с разными условиями местообитания, как правило, значительнее по сравнению с ураном.

Рецензия № 1

1299 KB

Рецензия № 2

1275 KB

Статья в формате PDF

455 KB

радиоактивное загрязнение

водные и наземные мхи

уран

радий -226

биологическое поглощение

формы нахождения радионуклидов

1. Аналитическая химия урана / ред. А.П. Виноградов. – М.: Наука, 1962. – С. 143-165.

2. Кочева Л.С. Новые сорбенты радионуклидов растительного происхождения / Л.С. Кочева, А.П. Карманов, И.И. Шуктомова и др. // Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения: материалы Междунар. конф. (Архангельск, 17-22 июня 2002 г.). – Архангельск: Правда Севера, 2002. – Т. 2. – С. 428-432.

3. Носкова Л.М. Сравнительная оценка поглощения 238U и 226Ra травянистой и древесной растительностью в условиях техногенного загрязнения / Л.М. Носкова, И.И. Шуктомова // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2010. – Т. 50. – № 6. – С. 642-648.

4. Подтероб А.П. Определение катионообменной емкости некоторых видов растительного сырья и материалов на его основе // Вестник БГУ. – 2008. – Сер. 2. – № 3. – С. 76-81.

5. Рачкова Н.Г. Сравнительный анализ миграционной способности и концентрирования природного урана в экосистемах рек Печорского бассейна / Н.Г. Рачкова, И.И. Шуктомова // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2013. – Т. 53. – № 1. – С. 84-94.

6. Рачкова Н.Г. Фазовое распределение радия-226 в поверхностных водах района расположения бывшего радийдобывающего предприятия / Н.Г. Рачкова, И.И. Шуктомова, А.П. Карманов // Бутлеровские сообщения. – 2016. – Т. 45. – № 3. – С. 60-67.

7. Старик И.Е. Основы радиохимии. – Л.: Наука, 1969. – 647 с.

8. Шапошникова Л.М. Особенности распределения урана, тория и радия в профиле техноподзолистой почвы / Л.М. Шапошникова, И.И. Шуктомова // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 6. – С. 48-52.

9. Bolsunovsky A. Accumulation and release of Am вy a macrophyte of the Yenisei River (Elodea canadensis) / A. Bolsunovsky, T. Zotina, L. Bondareva // J. Environ. Radioactivity. – 2005. – V. 81. – P. 33-46.

Территории производственных объектов бывших радиохимических предприятий и их импактные зоны характеризуются, как правило, значительной неоднородностью радиоактивного загрязнения по площади и в профиле грунтов, вследствие чего интенсивность биологического поглощения радионуклидов становится труднопрогнозируемым параметром. В этих условиях содержание макро- и микроэлементов, форма нахождения радионуклидов в абиотических компонентах окружающей среды и комплекс многих других факторов опосредованно влияют на аккумуляцию радиоактивных поллютантов живыми организмами. При благоприятном стечении обстоятельств их способность к поглощению радиоактивных веществ может определять процессы перераспределения последних в ландшафте и между компонентами окружающей среды.

Цель исследования – рекогносцировочная оценка способности мохообразных к аккумуляции и прочному поглощению урана и радия-226 в северотаёжных водных и наземных экосистемах зоны влияния бывших производственных объектов радиевого промысла с формированием вторичных очагов радиоактивного загрязнения.

Большинство промплощадок предприятия расположены в пойме или на надпойменных террасах р. Ухта и её мелких притоков. Образцы водных мхов, воды и донных отложений были отобраны на импактном участке русла Ухты (по 2 образца), а также в ручьях и на заболоченной нижней террасе территории приповерхностного хранилища твёрдых радиоактивных отходов промысла (по 5 образцов), служившей транзитным элементом ландшафта при миграции радиоактивно загрязнённых поверхностных вод в речную сеть. На мелководье в реке встречались фонтиналис противопожарный Fontinalis antipyretica и дрепанокладус крючковатый Drepanocladus aduncus, в болоте и мелких водотоках участка складирования отходов кроме последнего был распространён каллиергон гигантский Calliergon giganteum. В местах пробоотбора на территории хранилища радиационный фон не превышал 0,8 мкЗв/ч, на прибрежных мелководных площадках – 0,14 мкЗв/ч.

Наземные мхи, напротив, отбирали вне зоны активного водообмена на равнинном залесённом участке, занятом в период деятельности промысла производством по получению древесного угля. После использования его технологические отходы, загрязнённые радионуклидами уранового ряда, были возвращены на промплощадку, что и обусловило её радиоактивное загрязнение. Таким образом, к моменту проведения исследований почвенный покров большей части этой территории оказался представлен техноподзолистой почвой, характеризующейся наличием подстилки мощностью до 4 см, под которой находится слой радиоактивного материала толщиной до 23 см. Глубже него идентифицировались подзолистый и иллювиальный горизонты [8]. К настоящему времени средняя мощность амбиентного эквивалента дозы в зоне локализации отвалов составила 1,72 мкЗв/ч, на незагрязненной ими территории – снижалась по сравнению с этим уровнем до 10 раз. Радиоактивные отходы на участке были полностью покрыты дерниной. Слабо развитая травянистая растительность населяла загрязненную радиоактивными отходами часть участка под пологом смешанного леса, в котором преобладали ель сибирская, сосна обыкновенная, береза пушистая, рябина обыкновенная, ольха серая, осина и ива. Отобранные мохообразные были распространены на территории, примыкающей к месту локализации радиоактивных отходов. Среди них были определены сфагновые (сфагнум Sphagnum sp.) и зелёные мхи (плеврозиум Шребера Pleurosium schreberi и кукушкин лен Polytrichum commune). Всего опробовано 12 образцов плеврозиума Шребера и 7 образцов сфагнума.

Содержание радия-226 в объектах окружающей среды определяли эманационным методом на приборе «Альфа-1» [7], урана – по люминесценции перлов с NaF на фотометре «ЛЮФ-57» [1]. Наряду с интенсивностью поступления радия-226 и урана в биомассу оценивали содержание и форму нахождения изучаемых радионуклидов в воде или почвенной толще (0-20 см) в местах произрастания мохообразных методами ультрафильтрации [6] и последовательных вытяжек [3; 8]. Для изучения прочности поглощения радионуклидов водными мхами применяли химическое фракционирование биомассы [5; 9].

Исследование грунтов на участке произрастания наземных мохообразных подтвердило, что наибольшее количество радионуклидов было сосредоточено в слое почвенного профиля (0–20 см), богатом вмытым органическим веществом (Сорг = 43%). По нашим оценкам [8], доля радия, способного десорбироваться из этой толщи и включаться в результате трансформации в циклы биологического поглощения, составляла в сумме не менее 57% валового содержания радионуклида при парциальном вкладе фракций соединений, растворимых в воде, 1 М растворах ацетата аммония и соляной кислоты около 3, 6 и 48% соответственно. Высокой подвижности радиоактивного элемента могли способствовать свойственный таёжной зоне кислый характер почвенного гумуса (рН 4,5) и обогащенность грунта элементами I и II групп Периодической системы, что активирует выщелачивание поллютантов минерализованными почвенно-грунтовыми водами. Однако даже в этих условиях значительное количество радия (43%) было иммобилизовано в грунте. Удельные активности урана в точках отбора плеврозиума Шребера составили 7,2-142 мБк/г, радия - 0,03-1,2 Бк/г. Для сфагнума соответствующие показатели изменялись в пределах 6,5-28,1 и 0,03-0,5 Бк/г.

Источником поступления радиоактивных веществ в биомассу мохообразных на местообитаниях с высокой обводнённостью стали транзитные грунтовые и поверхностные воды и взвеси, вымываемые из почвогрунтов хранилища отходов, сосредоточенных в основном на верхней террасе этого комплекса. Установлено, что радиоактивные элементы перераспределялись в ландшафте за счёт вторичных процессов сорбции на природных сорбирующих материалах – болотных грунтах, донных отложениях и биомассе мохообразных, с высокой плотностью населяющих нижнюю террасу территории хранилища.

Об этом свидетельствует содержание урана и радия в объектах окружающей среды [5; 6]. Так, в донном материале из ручьёв и в болотном грунте удельная активность урана превосходила содержание радионуклидов в технологических отходах промысла до 1,5 и 40 раз преимущественно за счёт сорбции гидроксидами железа и марганца, а также органическими веществами. Вторичное закрепление на природных сорбентах растворимого радия было менее выражено и выявлялось только в сравнении с фоновыми донными осадками и грунтами (таблица). В то же время высокие показатели его биоаккумуляции в большинстве случаев контрастировали с соответствующими более низкими значениями для урана.

Содержание и коэффициенты накопления (Кн) урана и радия-226 водными мхами

*в числителе – показатели биоаккумуляции урана, в знаменателе - радия-226.

Причина этого состоит не только в известном сходстве химических свойств радия с биологически важными макроэлементами щелочноземельной группы, но и в значительной доле взвешенной компоненты радионуклида в водах техногенной и импактной зон. Её вклад в разные отборы мог определять до 65% удельной активности водных образцов. При поступлении в речную сеть растворимая компонента радия перераспределялась во взвешенное вещество [6], а уран сохранялся в растворе (рис. 1).

Рис. 1. Формы нахождения урана и радия-226 в поверхностных водах (% удельной активности) района бывшего радиевого промысла (июнь 2013 г.)

По-видимому, это и объясняет более высокую способность мхов исследуемой акватории к поглощению радия-226, в том числе из вод реки, хотя достоверную статистическую связь между параметрами его биологического поглощения и содержанием взвешенной формы не удалось установить. Однако методом химического фракционирования было подтверждено, что основное количество (до 74%) аккумулированного мохообразными радия можно вытеснить из растительной ткани без её полного разрушения воздействием нейтральными и слабокислыми растворами (рис. 2). Принято считать, что десорбированные подобным образом фракции поллютантов депонированы на поверхности биомассы [9]. Для сравнения: нардосмия из импактной речной сети содержит радия кратно меньше, чем мхи.

Способность накапливать поллютанты в своих тканях предопределяется анатомическими, морфологическими и физиологическими особенностями мохообразных, поглощающих воду и минеральные вещества не только ризоидами, но и всей поверхностью тела. Показатели поглощения наземными мхами радионуклидов корреспондировали с их концентрацией в почве, однако степень этой зависимости зачастую была слабой. Коэффициенты корреляции содержаний урана в плеврозиуме Шребера и сфагнуме с удельной активностью почвы составили 0,32 и 0,83, радия – 0,42 и 0,23 соответственно. Поскольку один и тот же радиоактивный материал был источником радионуклидов в почве, то их концентрации в ней были связаны с коэффициентами корреляции 0,66 для слоя (0-5 см) и 0,94 для толщи (5-20 см). Содержания исследуемых радиоактивных элементов во мхах также коррелировали друг с другом, однако статистическая связь была менее тесной (r = 0,48) (рис. 3).

Рис. 2. Химические фракции урана и радия-226, выделенные из биомассы гидрофитов

Рис. 3. Содержания урана и радия-226 в сопряжённых образцах наземных мхов и грунтов

Сравнение отношения содержаний радия и урана в образцах почвы и соответствующих величин для мхов свидетельствует о высокой избирательности накопления ими радионуклидов. При значениях для загрязнённого грунта 1,1–73,0 частное удельных активностей биомассы варьирует от 35 до 5747, составляя в среднем 865. При этом сфагнум более склонен к поглощению урана, на что указывает высокое содержание последнего в биомассе, изменяющееся в диапазоне концентраций 2,3-46,6 мБк/г. Верхний предел удельной активности радиоактивного элемента для образцов плеврозиума был в 3,5 раза ниже. Биоаккумуляция радия-226 на обоих мхах отвечала этому же уровню. Коэффициенты биологического поглощения (КБП) радионуклида, позволяющие оценить количественно кратность превышения его содержания в золе растений над соответствующей величиной для озолённой почвы, тем не менее были значительнее, чем для урана, и могли достигать для плеврозиума 57, сфагнума – 131. Практически во всех образцах мхов содержание радия было выше его удельной активности в почве. Несмотря на то что оба вида мха являются хорошими концентраторами урана и радия, КБП для сфагнума выше, чем для плеврозиума Шребера (рис. 4). Это вполне согласуется с имеющимися данными [2; 4] о сравнительно больших удельной поверхности и катионообменной ёмкости его биомассы, величина которых конкурирует и даже кратно превосходит соответствующие показатели для таких известных сорбентов растительного происхождения, как лигнин- и целлюлозосодержащие материалы, биомасса некоторых мицелиальных грибов и лишайников.

Рис. 4. Средние значения КБП урана и радия-226 для наземных мхов

Результаты проведённых исследований подводят нас к заключению о весомой роли мохообразных наземных и водных экосистем зон техногенного влияния в аккумуляции урана и радия-226 из загрязнённых водных сред и почвы и в ограничении подвижности радионуклидов. Для радиоактивно загрязнённых вод мхи зоны техногенеза и их импактной территории способны выполнять функцию фильтрующего биоматериала и барьера для миграции радиоактивных загрязнений. Биомасса водных мохообразных участвует в их разгрузке от поллютантов по механизму поглощения растворимых соединений, что характерно для урана, и путём поверхностного поглощения радиоактивных взвесей, что наиболее очевидно для радия-226. Изучение распределения радионуклидов в почвенно-растительном покрове радиоактивно загрязненных биогеоценозов территории бывшего радиевого промысла подтвердило высокую концентрирующую способность наземных мхов (сфагнума и плеврозиума Шребера) в отношении радия и урана и выявило сравнительно большую сорбционную активность биомассы сфагнума в этих процессах. С учётом многолетнего цикла вегетации функцию ограничения подвижности радиоактивных веществ моховый покров участков территорий бывшего радиевого промысла выполняет долговременно даже в условиях высокой минерализованности природных растворов.

Работа выполнена в рамках темы Госзадания № 115012860038 «Реакция растений и животных на хроническое действие тяжелых естественных радионуклидов в эксперименте и природе» при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ и Правительства Республики Коми №16-45-110051 р_а.

Библиографическая ссылка