Радиобиология с основами радиоэкологии

Сезон года, особенности погодных условий в значительной степени определяют взаимодействие радионуклидов с почвой и их переход в растения. Оно будет минимальным в зимний период при низких температурах и твердых атмосферных осадках. В то же время положительные температуры и высокая влажность летом усиливают эти процессы. По данным некоторых исследователей, при повышении температуры с 2 до 30 °С подвижность многих радионуклидов в почве возрастает в 5–10 раз.

Набухание глинистых минералов во влажную погоду с последующим высыханием может привести к необменному поглощению катионов, уменьшению их закрепления частицами поч­ вы и увеличению перехода в растения.

4.3.5. Вертикальная миграция радиоактивных веществ в почве

Выше рассматривалось влияние различных факторов на поведение радионуклидов в статической равновесной системе. О движении нуклидов в такой системе судили по степени их поглощения почвой из раствора и переходу из почвы в жидкую фазу. В естественных условиях миграция химических элементов в почве наряду с этими процессами включает их вертикальное и горизонтальное перемещение. Радиоактивные вещества, попав на поверхность почвы, вовлекаются в процессы вертикальной миграции вглубь ее. Со временем данное явление приводит к снижению мощности дозы излучения радионуклидов над поверхностью почвы, уменьшению их вторичного переноса ветром и поверхностными водами. Однако это может обусловить увеличение поступления радионуклидов в растения через корневую систему, приводить к загрязнению почвенных вод.

Скорость вертикального переноса радионуклидов в почве в значительной степени определяется многими вышеперечисленными физико-химическими особенностями радионуклидов, гранулометрическим и минералогическим составом почвы, ее

агрохимическими свойствами. Существенно на почву влияют и погодно-климатические условия, но главным образом она зависит от количества атмосферных осадков.

Перемещение как радиоактивных, так и других веществ по профилю почвы является, с одной стороны, следствием механического пассивного переноса радиоактивных частиц, выпавших на поверхность, с током воды, с другой – активного переноса за счет процессов диффузии и конвекции. Частицы размером 0.5–20.0 мкм способны перемещаться в почве в вертикальном направлении с водой по типу механического переноса через поры, а частицы меньшего размера – даже с движением почвенной влаги. Частицы самых различных размеров с током воды могут проникать вглубь по трещинам, образовавшимся в сухую погоду, ходам червяков и других организмов. Это обычная фильтрация – движение воды через пористую среду под влиянием сил гравитации.

Многоразовое перепахивание почвы, естественно, приводит к равномерному механическому распределению радиоактивных частиц по всему профилю пахотного горизонта.

Диффузионный перенос представляет собой перемещение радионуклидов в направлении градиента концентрации – ее выравнивания. Процессы диффузии в вертикальном переносе радионуклидов имеют особое значение на почвах с низкой скоростью фильтрации, обогащенных минеральными и органическими веществами, т.е. способных прочно сорбировать радионуклиды и затруднять их механический перенос – в первую очередь на черноземах. Однако, безусловно, скорость диффузии возрастает при повышении влажности почвы и температуры окружающей среды, т.е. в значительной степени определяется погодно-климатическими особенностями региона, года.

Конвекционный перенос – это вертикальное перемещение радионуклидов с водой, обусловленное изменением ее плотности в результате разницы температур или солености. Конвекция приобретает особое значение в период осенне-зимнего охлаждения верхнего горизонта почвы, когда более плотные поверхностные слои воды опускаются на глубину в горизонты, расположенные ниже, и еще не охладились, смешивая и выравнивая по вертикали физические и химические показатели воды, в том числе и по содержанию радионуклидов. Конвекционный перенос особенно распространен на почвах с промывным режимом и для радионуклидов, находящихся в водорастворимом и легкоподвижном состоянии.

В целом же процесс вертикальной миграции радионуклидов идет довольно медленно. Так, в зоне Чернобыльской АЭС на необрабатываемых со дня аварии дерново-подзолистых песчаных почвах легкого механического состава к концу 2012 г., т.е. через 26 лет после выпадения радионуклидов, около 90% ко-

личества 90Sr и 137Сs содержалось в верхнем 15–20-сантиметро- вом слое (рис. 4.3). Отмечается определенная тенденция к более быстрой миграции вглубь 90Sr, который в меньшей степени, чем 137Сs, связывается почвой. На почвах тяжелого механического состава (глинистых, суглинистых) с богатым почвенно-по- глощающим комплексом вертикальная миграция радионуклидов проходит еще медленнее.

Рис. 4.3. Скорость вертикальной миграции 90Sr и 137Сs на необрабатываемой дерново-подзолистой почве в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС (заштриховано примерно 90%-ное содержание радионуклидов в поч­ ве, остальные 10% – в более глубоких горизонтах).

Однако имеются все основания считать, что с проникновением радионуклидов в нижние, менее обеспеченные органическими веществами горизонты, к подстилающим породам скорость вертикальной миграции возрастает, что может привести к угрозе радиоактивного загрязнения почвенных вод. Для зоны Полесья – наиболее загрязненного в результате аварии региона, где на подзолистых и дерново-подзолистых почвах подстилающие породы начинаются практически сразу же за пахотным горизонтом, а почвенные воды расположены довольно высоко – такая угроза представляется вполне реальной.

4.3.6. Горизонтальная миграция радиоактивных веществ по поверхности почвы

Существенное влияние оказывают погодно-климатические условия на горизонтальную миграцию радионуклидов – их перенос по поверхности почвы. При сильных ливневых дождях в

лидов. При горизонтальной миграции именно твердый сток за счет сугубо механических сил потоков воды играет главную роль в перераспределении радионуклидов на поверхности поч­ вы, приводит к дополнительному радиоактивному загрязнению водоемов.

В процессах горизонтальной миграции важное значение приобретают особенности рельефа местности, наличие на ней растительности. Специфические неровности поверхности, микрорельеф, лесные насаждения и другая растительность при определенных сочетаниях не только уменьшают, но могут практически полностью задерживать поверхностный сток радионук­ лидов, в то же время крутые склоны, отсутствие растительности его усиливают (рис. 4.4).

4.4. Поступление радиоактивных веществ в растения

Растения при полном отсутствии визуальных признаков радиационного поражения накапливают значительные количества радиоактивных веществ, концентрация которых у отдельных видов может во много раз превышать их содержание в поч­ ве. Результатом этого является невозможность использования урожая сельскохозяйственных растений для питания людей и даже кормления животных. В связи с этим чрезвычайно важным является изучение закономерностей поступления в растения, распределения и накопления в продуктивных органах отдельных радионуклидов.

При исследовании таких закономерностей было установлено, что и в растениях, и в организме животных 90Sr ведет себя подобно кальцию, а 137Сs – калию. Было показано, что в максимальных количествах 90Sr концентрируется в тех видах растений, органах и тканях животных, которые накапливают много кальция (известные кальцефилы – растения семейства бобовых, отдельные виды семейств розоцветных, лютиковых; костная ткань млекопитающих и других животных, скорлупа птичьих яиц, раковины моллюсков). А наибольшее количество 137Сs накапливается в объектах, богатых калием (расте- ния-калиефилы – капуста, картофель, свекла, кукуруза, гречиха, лен, виноград, абрикос, а также семена злаков, мышечная ткань млекопитающих и других животных).

В этом нет ничего удивительного, так как уже упоминалось, что стронций находится в той же самой, а именно второй, главной подгруппе периодической системы элементов, что и кальций, а цезий – в первой главной подгруппе вместе с калием. Элементы объединены в группы в соответствии с общностью некоторых химических свойств. Именно поэтому стронций проявляет свойства, аналогичные кальцию, а цезий – калию, точно так же, как и другие элементы, находящиеся в дан-

ных группах. Безусловно, следует учитывать, что кальций и калий принадлежат к наиболее распространенным в природе элементам, которые, в особенности калий, играют важнейшую роль в обмене веществ живых организмов; сведений в отношении влияния на метаболизм стронция и цезия нет.

Установлено, что радиоактивные вещества могут поступать

врастения по двум основным путям: вследствие прямого загрязнения надземных органов выпадающими из воздуха радиоактивными частицами с их последующим поглощением тканями вегетативных и репродуктивных органов (некорневое, или аэральное, поступление) и через корневую систему из почвы (корневое, почвенное, или субстратное, поступление).

Следует обязательно различать эти два пути загрязнения растений радиоактивными веществами, поскольку их поступление через надземные органы в значительных количествах возможно главным образом лишь в период выпадения радиоактивных частиц, тогда как поглощение корнями из почвы может происходить в течение последующих десятков лет.

Кроме того, степень радиоактивного загрязнения хозяйст­ венно ценных частей растений может существенно изменяться

взависимости от пути поступления радиоактивных веществ и места их поглощения. Например, для зерновых и зернобобовых культур, плодово-ягодных растений, овощных, которые формируют урожай из надземных частей, при некорневом поступлении радиоактивных веществ вероятность загрязнения продуктивных органов больше, чем при корневом, в то время как для корнеплодов и клубнеплодов – наоборот.

4.4.1. Некорневое поступление радиоактивных веществ в растения

Возможность поступления в растения различных веществ через поверхность листьев и других надземных органов была установлена еще в экспериментах с некорневыми подкормками минеральными элементами. Но, безусловно, интенсивность проникновения и последующего включения в обмен веществ как обычных стабильных, так и радиоактивных веществ в значительной степени связана с их химическими свойствами и растворимостью.

Наиболее активно радиоактивные вещества поглощаются листьями (листовое поглощение), а в период цветения также цветками и соцветиями (флоральное поглощение). Некоторая их часть может поступать через ткани стебля и поверхностные корни, если они имеются.

Листовое поглощение является основным путем некорневого поступления радионуклидов для всех видов растений. Исключение могут составить лишь некоторые виды ксерофитов, покрытых волосками, толстой кутикулизированной оболочкой

с незначительным количеством устьиц и видоизмененными в колючки листьями.

Однако для многих видов растений очень существенным может быть флоральное поступление, удельный вклад которого определяется размером цветка, его формой, количеством, местом расположения в соцветии, на растении. Как правило, большие цветки розоцветных, соцветия хлебных злаков, расположенные на открытых частях растений, поглощают значительно больше радиоактивных веществ, чем растения с маленькими, расположенными одиноко под прикрытием листьев цветками, как, например, у перца, томатов. Следует также подчеркнуть, что в случаях флорального поглощения может происходить сугубо механическое поглощение радиоактивных частиц, в том числе и очень крупных, самим цветком (так называемый флоральный захват) с последующим их включением в плод. Именно такая ситуация сложилась с плодово-ягодными культурами в некоторых регионах Украины весной 1986 г. в период аварии на Чернобыльской АЭС, в результате которой количество радионуклидов во фруктах и ягодах превысило допустимые уровни.

Обязательным условием для проникновения радиоактивных веществ, как и вообще любых соединений, внутрь растения является наличие влаги на поверхности листа. Смачиваемость листьев различных видов зависит от очень многих факторов: формы листа, возраста, наличия опушенности, толщины кутикулы, содержания в ней жиров, ориентации листа по отношению к поверхности земли, наконец, наличия воды в нем. Ворсинки на листе уменьшают смачиваемость, так как способствуют образованию воздушных пузырьков. Однако при полном смачивании листа его поверхность удерживает большее количество влаги именно за счет опушенности. Чем дольше осуществляется контакт влаги с поверхностью листа, тем больше радиоактивных веществ проникает в него. Это зависит от формы листа, его расположения на стебле. Важную роль играет и температура окружающей среды, влажность, движение воздуха, т.е. факторы, влияющие на скорость испарения. Через поверхность молодого листа радионуклиды проникают сравнительно быстрее, чем старого, покрытого толстой оболочкой. Кутикула и повышенное содержание в ней жиров также представляют препятствие для их поступления.

Радиоактивные вещества, как и обычные элементы питания, поступают внутрь листа путем поглощения и обмена с кутикулой и стенками клеток. В кутикуле листьев некоторых видов растений обнаружены слои пектиноподобных веществ, переходящих в стенки нижерасположенных эпидермальных клеток. Этим путем вместе с ними радиоактивные вещества могут проникать в лист. В некорневом пути поступления радиоактивных веществ в растение определенную роль играют также устьи-

ца, хотя их удельный вклад в этот процесс пока еще не оценен. Впрочем, сказанное относится и к поступлению в растения обычных нерадиоактивных элементов, в том числе и элементов минерального питания, которые используют при внекорневых подкормках. Но логика подсказывает, что при увеличении количества устьиц на единицу площади листа, степени их открытия поступление различных веществ должно возрастать.

Часть поглощенных радиоактивных веществ может оставаться в месте их проникновения в растение, но часть, включающаяся через флоэму и ксилему в транспортные системы, может передвигаться и накапливаться в самых различных органах, в том числе и хозяйственно полезных, формирующих собственно урожай. Их участь зависит от химических свойств радионуклида, его физиологической роли или роли его химических аналогов в обмене веществ, специфики вида, физиологического состояния растения.

Более интенсивно передвигаются по растению изотопы цезия, рубидия, йода; гораздо медленнее – стронция, церия, рутения, циркония, ниобия, бария. Самыми подвижными являются изотопы цезия. Попадая на листья или другие части растения, цезий, как и его химический аналог калий, быстро передвигается к другим органам и способен в довольно значительных количествах накапливаться не только в зерне злаковых и зернобобовых растений, но и в клубнях картофеля, корнеплодах, луковицах. Из общего количества 137Сs, поступающего в растения кукурузы через листья, свыше четверти накапливается в зерне. Еще большая часть его при некорневом поступлении накапливается в клубнях картофеля и корнеплодах столовой свеклы. При нанесении радионуклида на листья подсолнечника в семенах накапливается около 20% 137Сs. В то же время содержание 90Sr и 144Се при поступлении через листья в этих органах составляет всего несколько сотых и даже тысячных долей процента от поступающего количества (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Содержание радионуклидов

в отдельных частях растения подсолнечника (Helianthus annuus L.) при нанесении радиоактивных веществ на 16-й лист

(И.В. Гулякин, Е.В Юдинцева, 1973)

И это совершенно понятно. Химический аналог цезия – калий принадлежит к числу важнейших элементов питания растений и обладает очень высокой способностью к передвижению. Поглощение калия листом, как и другими надземными и подземными органами, осуществляется очень быстро, и он легко транспортируется к разным органам. Подобно калию ведет себя цезий и другой его химический аналог – рубидий, с помощью которого, кстати, используя его как меченый атом, обычно изучают особенности обмена калия в живых организмах, в том числе и в растениях.

Роль кальция в жизни растений, в отличие от животных, более скромна. Кальций принимает участие в небольшом числе обменных реакций, поэтому и его аналог – стронций поступает

инакапливается в растениях в значительно меньших количествах. Несущественное участие в процессах обмена принимает

ицерий. Хотя и известны попытки использовать некоторые соединения церия как инсектициды и даже микроудобрения, физиологическая роль его не установлена.

Довольно быстро передвигаются по растению при попадании на его поверхность радиоактивные изотопы йода, что обусловлено не биологической ролью (в отличие от позвоночных животных), не схожестью с каким-либо биологически активным аналогом, а способностью растения образовывать легкоподвижные соединения типа КI (йодистый калий).

Некорневое поступление радиоактивных веществ в растения может происходить на протяжении всего периода вегетации, вследствие чего оно в значительной степени зависит от степени облиственности и возраста листьев, связанных с фазой онтогенеза. В физиологии растений существует понятие «листового индекса», или «листового коэффициента», количественно характеризующего этот показатель и представляющего собой отношение суммарной площади листьев растений к площади поверхности почвы, где они произрастают. Для большинства фитоценозов, в том числе искусственных агроценозов – посевов сельскохозяйственных культур – оптимальные значения листового индекса, при котором обеспечивается максимальная эффективность фотосинтеза, для различных видов варьирует от двух до семи. Но в реальных условиях на протяжении вегетационного периода он может изменяться в более широких пределах – практически от нуля ранней весной до десяти в фазы максимального формирования вегетативной массы. В некоторых агроценозах, например, при выращивании кукурузы на зеленый корм, он может достигать 15–20, а в некоторых смешанных агроценозах — даже 25–30. Еще большим этот показатель бывает под лесом. Совершенно понятно, что чем выше показатель листового индекса, тем значительнее будет степень задержания радиоактивных веществ поверхностью листьев и, соответственно, выше их поступление в растения.

На некорневое поступление радиоактивных частиц, осевших на поверхности растений, очень влияют погодные условия – частицы могут смываться во время дождя, сдуваться ветром. Удержание радиоактивных веществ на растениях в подобной ситуации определяется главным образом формой органов, их механическими свойствами, ориентацией в отношении поверхности земли. Радиоактивные осадки в существенных количествах накапливаются в цветках, таких труднодоступных местах, как пазухи листьев, но легко смываются с поверхности неопушенного листа или стебля.

Вследствие ветрового подъема и переноса радиоактивной пыли с поверхности почвы, а также во время дождя и искусственного орошения дождеванием становится возможным вторичное загрязнение надземных частей растений радионуклидами. Подъем почвенных частиц с брызгами дождя может привести к очень высокому некорневому загрязнению. Сильный ливень поднимает на высоту 40–60 см до 200 т почвы с гектара. Понятно, что этот фактор может привести к существенному увеличению накопления радионуклидов в продукции растениеводства, особенно низкорослых видов растений, формирующих продуктивные органы на надземных частях, например, томатов, огурцов, капусты, земляники и других.

При аварии на Чернобыльской АЭС основная масса радио­ нуклидов выпала на протяжении первых двух недель конца апреля–начала мая и прямому некорневому загрязнению подверглись в основном озимые растения, естественные и сеяные травы на кормовых угодьях, плодовые и ягодные культуры. Для остальных видов растений главным источником радиоактивного загрязнения стало именно вторичное аэральное загрязнение за счет ветра и подъема почвенных частиц с брызгами дождя. Вклад загрязнения растений через корни с уже вспаханных к тому времени полей был сравнительно невелик.

В целом уровень загрязнения растений радионуклидами в случае прямого попадания на их надземные части определяется количеством свежих радиоактивных осадков. В то же время проникновение радионуклидов через корневую систему зависит от общего количества осадков, выпавших на поверхность поч­ вы. И если со временем некорневое поступление радиоактивных веществ уменьшается, то проникновение их из грунта через корни в течение определенного времени может возрастать.

4.4.2. Поступление радиоактивных веществ в растения через корни

Почва, как уже отмечалось, является мощным поглотителем различных элементов, в том числе и радиоактивных изотопов. Особенно высокой способностью к поглощению обладает поверхностный, богатый перегноем горизонт, в котором со-