Радиобиология с основами радиоэкологии

многих странах Европы от Швеции и Финляндии до Германии и Греции, а из верхних – через 10–12 сут. в Японии, Канаде, США. Чуть более чем за две недели с начала аварии радиоактивное облако обогнуло Земной шар и возвратилось в Европу с запада.

Стратосферные, или глобальные выпадения наблюдаются при высотах выброса радиоактивных веществ более 12 км. Они образуются обычно при атомных взрывах в атмосфере. Радиоактивные частицы в виде мельчайших частиц, возникающих

врезультате одноактного выброса (разовое поступление), могут находиться над планетой в стратосфере на протяжении нескольких лет. Период ее полуочищения от радиоактивных веществ в среднем составляет два года.

Дисперсность радиоактивных частиц, образующихся при всех типах выбросов, чрезвычайно велика – их диаметр варь­ ирует от сотых долей до нескольких десятков и сотен микрометров. Разумеется, образуются частицы и больших размеров, но

впереносе радиоактивности на значительные расстояния они участия не принимают, оседая в основном вблизи места выброса. Частицы микронных и субмикронных размеров мигрируют на десятки тысяч километров. Тем не менее, и их выпадения обусловлены прежде всего силами гравитации. Чем больше частица, тем ближе к месту выброса, как правило, она оседает. Изучение зависимости миграции радиоактивных частиц от их размеров представляет огромный практический интерес для прогнозирования загрязнения территории, оценки вероятного включения радиоактивных веществ в трофические цепочки. Последнее связано с большой поверхностью контакта со средой мелких частиц, хорошей их растворимостью, а следовательно, более высокой вероятностью вхождения в биологические циклы.

Зная высоту выброса радиоактивных продуктов, направление и силу ветра, размер частиц, можно сравнительно легко смоделировать радиационную ситуацию, во всяком случае на ближайшее время. Но существенную поправку может вносить трудно прогнозируемый, часто совершенно неожиданный четвертый фактор – атмосферные осадки.

Атмосферные осадки могут в десятки раз ускорять и усиливать выпадения радиоактивных частиц, вызывая загрязнение территории в самых неожиданных местах, поэтому различают «сухое» и «мокрое» отложение радиоактивных веществ на поверхности почвы и других объектах. Первый процесс – оседание частиц исключительно под влиянием сил тяжести, второй – их выпадение с дождем и снегом. Именно «мокрыми» отложениями было обусловлено локальное радиоактивное загрязнение высокой плотности в далеких от Чернобыльской АЭС местах в 1987 г. – в районах Кавказа, Германии, Великобритании, Исландии и некоторых других.

Участь сухих и мокрых выпадений неодинакова. Она зависит от многих факторов, но главным образом от сезона года, с которым связана интенсивность и физическое состояние атмо­ сферных осадков. Понятно, что при мокром выпадении радиоактивных веществ в теплый весенне-летний период усиливаются их растворимость, миграция в почве, поступление в растения.

4.3.Миграция радиоактивных веществ

взвене почва–растения

Почва, безусловно, является основным источником поступ­ ления в биосферу естественных радионуклидов и, как свидетельствует схема на рис. 4.1, хотя и не единственным, но главным приемщиком и аккумулятором искусственных радионук­ лидов из атмосферы. Последующее поступление радионуклидов из почвы в растения определяет масштабы их включения в трофические цепочки. Именно поэтому поведению радиоактивных веществ в почве принадлежит необычайно важная роль в общем цикле их миграции, так как физическими и химическими свойствами почвы в наибольшей степени определяется поглощение радионуклидов растениями.

Под миграцией радионуклидов в почве понимают совокупность процессов, приводящих к их перемещению в почве и количественному перераспределению по глубине и в горизонтальном направлении.

Миграционные способности радионуклидов в почве и их включение в биологические циклы определяются и зависят от таких свойств, как физико-механические и химические особенности самих радионуклидов, их концентрации, гранулометрического и минералогического составов почвы, ее агрохимических показателей, например, содержания отдельных элементов и органического вещества, реакции почвенного раствора, наличия в нем разнообразных ионов и их соотношения и некоторых других факторов. Необычайно важную роль в миграции радио­нуклидов в почве играют климатические условия, погодные особенности года, сезона.

4.3.1. Роль физико-химических свойств радионуклидов

Радиоактивные вещества, поступившие в окружающую среду, могут пребывать в различной физико-химической форме – в виде газов, аэрозолей, гидрозолей, частиц, сорбированных на различных материалах и других и представлены самыми различными химическими элементами и соединениями. И это в значительной степени определяет не только их подвижность в почве, но и дальнейшую участь в миграционных цепочках.

Так, радиоактивное загрязнение на Южном Урале при аварии в Челябинской области в первую очередь было обусловле-

но выпадением жидких высокорадиоактивных гидрозолей. Радиоактивные выбросы в Уиндскейле преимущественно были в форме газов. Загрязнение при аварии на Чернобыльской АЭС было представлено тремя основными видами выпадений: твердыми высокорадиоактивными аэрозолями различной дисперсности, газовой фазой отдельных радионуклидов и радионуклидами, вмещенными в графитовую матрицу.

Хотя искусственные радионуклиды, возникающие в результате ядерных реакций при взрывах атомных бомб или в ядерных реакторах, являются новыми компонентами окружающей среды, их поведение в ней, как правило, мало отличается от поведения естественных аналогов. Так, радионуклиды стронция ведут себя аналогично кальцию, с которым стронций находится в одной второй группе периодической системы элементов, а радионуклиды цезия – калию, элементам первой группы.

Выделяют две основные группы факторов, приводящих к изменению подвижности и биологической доступности радионуклидов во времени. Первая из них обусловливает так называемое «старение» радионуклидов. Суть такого старения состоит в том, что со временем снижается подвижность радионуклидов в почве, например, в результате диффузии в кристаллическую решетку отдельных минералов, агрегирования частиц, в состав которых входят радионуклиды. Хорошо известно «старение» в почве радионуклидов цезия как следствие адсорбции по типу изоморфного замещения в кристаллических решетках глинистых минералов, приводящее к постепенному снижению их доступности для корневого усвоения растениями.

Под влиянием другой группы факторов подвижность радионуклидов и их биологическая доступность, наоборот, могут возрастать. Так, крупнодисперсные частицы, в состав которых входят радионуклиды, со временем пребывания в почве под влиянием воды, кислорода, микроорганизмов и других факторов разрушаются, превращаясь в мелкодисперсные. Радионуклиды при этом могут переходить в более доступные для растений формы.

Большое значение в поведении радионуклидов в почве и их биологической доступности имеют следующие химические свойства: знак заряда иона, его масса, ионный радиус. Именно эти характеристики определяют их способность к адсорбции и образованию комплексных соединений, недоступных для растений. Так, чем выше заряд иона, тем сильнее он сорбируется почвенными частицами и образует более стойкие комплексные соединения с органическими веществами; чем больше масса и ионный радиус, тем слабее выражается эта способность. В свободном состоянии ионы радионуклидов поглощаются интенсивней, в отличие от гидратированной или сольватированной формы.

4.3.2.Роль гранулометрического

иминералогического составов почвы

Давно замечено, что при выращивании растений в условиях водной культуры поступление в них радионуклидов через корни оказывается значительно выше, чем при выращивании на почвах такой же радиоактивности. Это является следствием способности твердой фазы почвы к поглощению и удерживанию радионуклидов. Однако совершенно очевидно, что свойство поглощать и удерживать не только радионуклиды, но и вообще элементы у различных почв должно быть неодинаковым. Оно существенно зависит от гранулометрического (механического) и минералогического составов почвы, которые являются одним из важнейших факторов, определяющих характер миграции радионуклидов в ней и их переход в растения.

Миграционные процессы зависят от содержания в почве мелкодисперсных фракций, особенно количества минералов монтмориллонитовой группы – асканитов, гумбринов, флогопитов, вермикулитов и других, имеющих высокую сорбционную способность; органических веществ, обменных катионов – известных факторов, формирующих так называемый почвенный поглощающий комплекс и определяющих поглотительную емкость почвы.

Сорбционная способность почвы возрастает с увеличением дисперсности ее состава – механических элементов. Кривые на рис. 4.2 свидетельствуют о том, что даже в пределах одного типа почв, в данном случае дерново-подзолистых, в зависимости­ от объема фракции глинистых частиц диаметром меньше 0.001 мм накопление радионуклидов растениями может уменьшаться на порядок. Более тяжелые по гранулометрическому составу почвы­ еще сильнее закрепляют радионуклиды. Прочнее всех радиоактивные продукты деления удерживаются илистой фракцией почвы. Высокая сорбционная способность ра-

дионуклидов мельчайшими фракциями почвы обусловлена большой удельной поверхностью частиц.

Рис. 4.2. Влияние гранулометрического состава дерново-подзо- листой почвы на поступление 137Сs в вегетативную массу (1) и зерно (2) овса (Р.М. Алексахин и др., 1991).

Так, суммарная поверхность 1 г ила с частицами диаметром 0.001 мм составляет 23000 см3, а с частица­ми­ 0.0001 мм достигает 230000 см2. С увеличением степени дисперсности гранулометрических элементов почвы возрастает ее обменная способность. Обменные катионы кальция, магния, калия, натрия способны к обмену на катионы других металлов, в том числе и на радионуклиды, в частности стронция и цезия, закрепляя их на частицах почвы как на своеобразной матрице.

Кроме того, мелкодисперсные глинистые и илистые фракции почвы содержат большое количество минералов монтмориллонитовой группы, слюд и гидрослюд, относящихся к трехслойным минералам, обладающим высокой поглотительной способностью. Преобладающими фракциями песка, даже мелкого, являются кварц и полевые шпаты, сорбционные способности которых очень низки. Количество минералов монтмориллонитовой группы в черноземах, каштановых, луговых почвах и их разновидностях значительно выше, чем в других типах почв, что является одним из основных факторов, обусловливающих их способность к прочной фиксации радионуклидов и уменьшению перехода минералов в растения.

Мелкопылеватые и илистые частицы высокодисперсных фракций почв содержат и наибольшее количество органических веществ, существенно влияющих на миграцию радионуклидов. С увеличением содержания в почве гумуса переход в растения радионуклидов снижается. Это обусловлено тем, что гуминовые и фульвокислоты, входящие в состав гумуса, обладают также высокой способностью к сорбции радионуклидов и образованию с ними сложных комплексных соединений, поступление­ которых в растение затруднено.

Вболее крупных пылевых фракциях содержание органических веществ резко снижается, а в мелком песке их практически нет. Значительное количество органических веществ (до 90%) содержат некоторые разновидности болотных почв, в частности, торфяные почвы. Однако в них органический компонент представлен в основном полуразложившимися растительными остатками. Содержание гумуса в таких почвах низко. Минеральная фракция, в том числе и мелкодисперсная, тоже незначительна. Мало и количество обменных катионов. Поэтому­ хотя водоудерживающая их способность довольно велика, поглотительная емкость и способность к фиксации радионуклидов сравнительно низки.

Вцелом перечисленные особенности почв формируют в них определенный неспецифический уровень способности к сорбции и удержанию отдельных элементов, в том числе и радиоактивных. Почвы, содержащие большой объем глинистой и илистой фракций, минералов монтморилонитовой группы, гумуса, обладают наиболее высокой поглотительной способностью и

фиксации радионуклидов, а следовательно, уменьшают их миграцию в почве и снижают поступление в растения. Эти способности в наименьшей степени выражены у дерново-подзоли- стых почв и в максимальной – у черноземов. Поэтому в порядке возрастания способности различных типов почв к сорбции и закреплению радионуклидов их можно расположить в такой последовательности: подзолистые–дерново-подзолистые–дерно- вые–болотные–серые лесные–луговые–каштановые–черноземы.

В табл. 4.1 приведены данные о возможности растений к накоплению 90Sr и 137Сs на различных типах почв. В основном они подтверждают отмеченную закономерность: чем выше сорбционная способность почв, тем ниже коэффициент накопления радионуклидов, т.е. меньшее их количество переходит в растения. Некоторые незначительные отклонения от нее могут быть обусловлены определенными особенностями состава почв, фи- зико-химическими свойствами отдельных радионуклидов, биологической спецификой растений и другими факторами.

Таблица 4.1

Коэффициенты накопления овсом посевным (Avena sativa L.) 90Sr (И.К. Макаревич, 1973) и 137Сs (Е.В. Юдинцева, 1981)

из почв различных типов

4.3.3. Влияние агрохимических свойств почвы

Массовое содержание радионуклидов в почвах, как и в других объектах окружающей среды, оценивается ультрамикроколичествами. Так, при содержании 137Cs 3.7×1010 кБк/м2 (1 Ки/ км2 – уровень, выше которого почвы принято считать загрязненными в результате аварии на Чернобыльской АЭС) массовое его количество в пахотном горизонте почвы составляет всего 3.9×10–12%, а 90Sr еще меньше – 2.4×10–12%, т.е. около 0.5 г/км2. Подобные низкие концентрации радионуклидов в почвах должны обусловливать существенную зависимость их поведения от количества и свойств соответствующих стабильных нуклидов, химических элементов с близкими физико-химическими свойствами, содержание большинства из которых на много порядков или во много раз выше. Очень влияют на состояние и миграцию радионуклидов и другие агрохимические свойства поч­ вы, в частности, реакция среды.

Реакция почвенного раствора (рН) по-разному влияет на миграцию радионуклидов. Для большинства из них, в том числе для 90Sr и 137Сs, при увеличении кислотности растворимость и подвижность возрастают, снижается прочность закрепления в почве, поступление в растения увеличивается.

Однако в основе изменений десорбирующего влияния раст­ вора в зависимости от рН кроме прямого растворения химических соединений лежит такое явление, как вытеснение отдельных химических элементов из почвы в раствор в результате поглощения ею ионов водорода. Например, некоторые радионуклиды, в частности 59Fе, 60Со, 65Zn, при повышении рН переходят из ионной формы в различные гидролизные и комплексные соединения и становятся менее доступными для растений.

Кроме того, изменение щелочно-кислотного баланса способствует переходу гидролизирующих элементов из ионных форм в коллоидные, что также, в свою очередь, может сказаться на прочности их фиксации в почве.

Вообще же зависимость подвижности радионуклидов в поч­ ве от реакции среды имеет достаточно сложный характер, проявляя нередко на протяжении изменения рН от 3 до 10 два-три пика максимумов. Все почвы содержат определенное количество различных химических элементов. У большинства почв среди них преобладает кремний, второе и третье место обычно занимают кальций и магний, в значительных количествах содержатся калий, азот, фосфор, сера. Заметные величины для отдельных типов почв составляют натрий, железо, алюминий. Существенно меньшим является содержание микроэлементов – меди, марганца, молибдена, цинка, бора, фтора, свинца.

Очень большое влияние на миграцию и доступность радио­ нуклидов растениям имеет содержание в почвах обменного кальция, которое характеризует их так называемую «карбонатность». Во многих почвах преимущественно зон недостаточного увлажнения содержание карбонатов может быть значительным. С повышением карбонатности поступление в растения стронция уменьшается. В табл. 4.2. приведены данные о зависимости накопления 90Sr и 137Сs различными видами растений от содержания карбонатов в черноземах. Как видим, с ростом их количества с 0 до 3.2% накопление 90Sr снижается в 1.3–2.5 раза. Поступление 137Сs в этиx условиях возрастает.

Уменьшение поступления 90Sr в растения на карбонатных почвах объясняется обычно двумя причинами. Во-первых, при высоком уровне карбонатов может происходить необменная фиксация этого радионуклида. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что на карбонатных почвах, по сравнению с выщелоченными, содержание водорастворимых форм 90Sr обычно в несколько раз ниже, в то время как количество

Таблица 4.2

Коэффициенты накопления 90Sr и 137Cs в растениях в зависимости от степени карбонатности черноземов (Р.М. Алексахин и др., 1985)

необменного – выше. Во-вторых, стронций и кальций являются химическими аналогами. Именно поэтому они включены в одну, а именно вторую группу периодической системы элементов. При поступлении в растения между ними могут возникать определенные конкурентные, даже антагонистические взаимоотношения, и кальций, как элемент, содержание которого в почве может на несколько порядков превышать общее содержание стронция, выступает в роли своеобразного дискриминатора, ограничивающего поступление стронция.

Последний тип взаимодействия может возникать между магнием и стронцием, барием и стронцием и другими элементами этой группы. В частности, многие из них, и в первую очередь перечисленные кальций, магний и барий, могут выступать как дискриминаторы природного радиоактивного элемента радия, который также находится во второй группе. Имеются сведения о том, что на карбонатных почвах поступление

226Rа в растения уменьшается­. Отмеченное увеличение подвижности и поступления в растения 137Сs при повышении карбонатности почвы может быть связано с возрастанием в этих условиях количества водорастворимых органических соединений, которые обусловливают его десорбцию, и является специфичным лишь для богатых органическим веществом почв, каковыми являются черноземы. Во всяком случае, на бедных дерновоподзолистых почвах искусственное повышение карбонатности за счет внесения извести или других известковых материалов усиливает закрепление 137Сs и снижает его поступление в растения. Карбонатные почвы характеризуются не только значи-

тельным содержанием кальция в виде катионов Са2+, но и анионов СО32–. Последние способствуют сорбции 90Sr за счет сооседания труднорастворимых и слабоусваиваемых растениями соединений стронция. Такой же способностью обладают анионы

4и SО42–, поэтому с возрастанием их концентрации в почве,

вособенности содержания обменных форм фосфора, наблюдается снижение перехода 90Sr в растения. Увеличение в почве содержания обменного калия снижает миграцию и поступление

врастения 137Сs. С одной стороны, это связано с тем, что при большом количестве в почве калия происходит замена на него всех обменных катионов почвы, что увеличивает сорбцию и закрепление цезия; с другой – между калием и цезием, как химическими аналогами (оба находятся в первой группе периодической системы элементов), возникают конкурентные отношения при поступлении в растения, подобные тем, что проявляются у пары кальций-стронций. Подобный антагонизм может возникать у цезия и с другими элементами первой группы, так что поступление в растения 137Сs зависит и от содержания таких элементов, как натрий, рубидий, литий.

Поглощение и сорбция радионуклидов в почве в значительной степени зависят от содержания в ней соответствующих стабильных нуклидов – чем выше содержание стабильных, тем меньше радиоактивных закрепляется в почве и больше переходит в растения. Эти эффекты объясняются простым разбавлением радионуклидов за счет стабильных и уменьшением вклада радиоактивных нуклидов в общей фиксации элемента компонентами почвы.

Несколько слов следует сказать об особенностях миграции одного из основных естественных радиоактивных «загрязнителей» почвы и биосферы в целом – 40К. Его содержание в по-

верхностном (пахотном) горизонте почвы довольно велико – варьирует от 3 до 22×1010 Бк/км2, т. е. может достигать 6 Ки/км2. Максимальной радиоактивностью за счет 40К обладают почвы, которые развились и сформировались на кислых магматических породах и которые содержат такие минералы, как биотит, мусковит, микроклин, ортоклаз, иллит. В процессе хозяйственной деятельности человека потоки калия, а вместе с ним и 40К в биосфере возрастают. Достаточно сказать, что при средних нор-

мах внесения калийных удобрений 60 кг/га в почву поступает 1.35×106 Бк/га 40К. Безусловно, одноразовое внесение удобрений не приводит к заметному увеличению содержания радионуклида в почве, но при многолетнем систематическом их внесении, а под некоторые виды растений они вносятся в количествах в три-четыре раза больших, что может существенно повлиять на его баланс и сформировать определенный повышенный уровень естественной радиоактивности.

Миграция 40К в почве, поступление в растения и последующий транспорт по звеньям трофических цепочек полностью определяются поведением его стабильных изотопных носителей 39К и 41К и зависит от многих уже отмеченных свойств почвы: карбонатности, реакции среды, содержания различных катионов, и в первую очередь натрия, концентрации анионов. Однако при любом снижении поступления в растения 40К наблюдается и уменьшение поступления калия в целом. Он же является одним из основных биогенных элементов.

Таким образом, изменение щелочно-кислотных условий среды,­ наличие различных соединений, в особенности способных к обменным реакциям, стабильных носителей существенно влияют на подвижность радионуклидов в почве и звене «поч­ ва–растение». Механизмы этих явлений значительно зависят от изменения состояния и миграционных форм радионуклидов, процессов их соосаждения и адсорбции макрокомпонентами среды, конкурентных взаимоотношений с соответствующими изотопными и неизотопными носителями.

4.3.4. Влияние погодно-климатических условий

Движение воздуха, атмосферные осадки, температура окружающей среды и некоторые другие явления, характеризующие особенности погодно-климатических условий, играют очень важную роль в миграции радионуклидов не только в атмосфере, но и в почве.

Огромное значение в распространении радионуклидов по поверхности почвы играет движение воздуха – ветер. За счет ветрового поднятия радиоактивной пыли и ее переноса становится возможным вторичное чрезвычайно быстрое перемещение радиоактивных веществ на десятки и сотни километров от места их выпадения, что может обусловить загрязнение или увеличить его на более чистых почвах.

Выделяют три основные вида ветрового поднятия почвы: истинный ветровой подъем – за счет движения масс воздуха над поверхностью почвы; локальный ветровой подъем – благодаря движению воздуха, обусловленного спецификой релье­ фа и микрорельефа местности, наличия лесных и садово-пар- ковых насаждений, строений – своего рода «сквозняков», и механический ветровой подъем, возникающий при движении транспорта, выполнении различных технологических работ в полеводстве. Наиболее важным фактором, влияющим на ветровой подъем радиоактивных частиц и их перенос, безусловно, является скорость движения воздуха. Подъем почвенных частиц происходит быстрее при сухой погоде, с поверхности распаханных полей, грунтовых дорог, продуваемых оголенных склонов и т.д. Перечень основных факторов, влияющих на ветровой подъем почвы, приведен в табл. 4.3.