Радиобиология с основами радиоэкологии

Органические удобрения, как правило, являются местными удобрениями и поэтому могут стать источником вторичного загрязнения почвы. При их использовании следует придерживаться определенных правил. Так, органические удобрения не должны применяться на полях с низким уровнем радиоактивного загрязнения. Их не следует вносить под овощные культуры и картофель, предназначенные для питания человека. Наиболее целесообразно использовать органические удобрения, полученные в местных условиях на подвергшихся радионуклидному загрязнению территориях, под кормовые культуры, на семеноводческих участках, полях, где возделываются такие технические виды растений, как сахарная свекла, лен, подсолнечник, конопля, картофель, выращиваемый для получения крахмала.

Очень резко снижается накопление радиоактивных веществ в растениях при совместном внесении мелиорантов, минеральных и органических удобрений. Это мероприятие следует рассматривать как одно из наиболее эффективных среди всех защитных приемов, направленных на минимизацию их поступления из почвы в растения и одновременно на увеличение урожая. Однако следует не забывать, что снижение радиоактивности продукции растениеводства достигается не только за счет уменьшения перехода радионуклидов в растения из поч­ вы, но и за счет упоминавшегося их разбавления при нарастании биомассы.

14.1.3. Подбор растений

Как уже отмечалось, отдельные радионуклиды поглощаются из почвы различными видами растений с неодинаковой интенсивностью и накапливаются в них в различных количествах. Поэтому при разработке мероприятий по защите продукции растениеводства от радионуклидного загрязнения следует обращать особое внимание на подбор видов и сортов возделываемых растений. В отношении растений к радионуклидам стронция и цезия наблюдается прямая корреляция между поглощением кальция и 90Sr, с одной стороны, и калия и 137Сs – с другой. Такие кальцефильные растения, как бобы, горох, фасоль, соя и другие представители семейства бобовых, интенсивно поглощают и 90Sr, накапливая его в значительных количествах во всех органах, в том числе и зерне. Злаки, поглощающие кальций в сравнительно небольших количествах, мало накапливают этот радионуклид. А калиефильные овощные растения – картофель, свекла, капуста, столовая кукуруза – интенсивно поглощают и 137Сs.

Именно овощные растения, к которым относятся и перечисленные бобовые, среди всей продукции растениеводства являются основными поставщиками радионуклидов в организм че-

Таблица 14.1

Коэффициенты накопления (КН.10–3) некоторых природных радиоактивных элементов продуктивными частями растений (В.Ф. Дричко и др., 1990)

накопления (КН) самые распространенные из них можно разместить в такой последовательности: радий–уран–торий; наиболее вероятные их значения составляют величину n.10–3, где n варьирует от 0.1 до 100.0. В целом же КН этих радионуклидов на два-три порядка ниже, чем для 90Sr и 137Сs. При этом прослеживается типичная и отрадная для накопления большинства радионуклидов картина – в плодах овощных растений, зерне, т.е. частях растений, которые чаще всего представляют пищевую ценность, их содержание намного, нередко на порядок, ниже, чем в ботве и соломе. Но совершенно очевидно, что содержатся они в растениях в ультрамикроколичествах и относятся в основном к элементам слабого и очень слабого поглощения растениями.

Все вышесказанное позволяет прийти к заключению о том, что внося определенные коррективы в рацион, а еще разумнее – выращивая растения, которые накапливают меньшие количества радионуклидов, можно во много раз снизить их поступление в организм. Именно на этой основе должны строиться принципы введения в севообороты новых культур.

Безусловно, отказаться от некоторых видов растений как источников продуктов питания – нельзя. Например, несмотря на то, что картофель был введен в культуру растениеводства в Европе сравнительно недавно, заменить его в настоящее время каким-либо другим растением практически невозможно. Но не только отдельные рода, виды растений, но и сорта могут суще-

ственно отличаться по способности к накоплению радионуклидов. Так, сорта гороха различаются по накоплению 90Sr в зерне в 2.5 раза, сорта пшеницы по накоплению 137Сs в зерне – в три раза, кукурузы – до четырех раз. Имеются все основания предполагать, что и сорта картофеля, как и других культур, различаются по способности к аккумуляции отдельных радионуклидов.

Конечно же, замена традиционных районированных сортов растений другими может привести к существенному снижению урожайности за счет самых различных факторов – не только потенциальной продуктивности, но и устойчивости к высоким и низким температурам, болезням, вредителям. Но учитывая значительные колебания возможности различных сортов сельскохозяйственных растений к накоплению радионуклидов, можно считать целесообразным проведение селекционных работ именно по этому признаку. Их конечной целью должно стать создание новых сортов, отвечающих не только современным требованиям культуры земледелия, но и с пониженной способностью к накоплению определенных радионуклидов.

14.1.4.Регуляция режима орошения

Вусловиях искусственного орошения загрязненных радио­ активными веществами почв за счет изменения их водного и теплового режима, развития микрофлоры, увеличения оводненности тканей, но главным образом за счет увеличения растворимости могут создаваться благоприятные условия для поступления радионуклидов в растения даже при поливе чистой водой. Ситуация приобретает более сложный характер, когда полив производится загрязненной водой, иногда содержащей более значительное количество радионуклидов, чем орошаемые почвы­. В обоих случаях поступление радионуклидов в растения зависит от способа полива.

Обычно выделяют два основных способа полива: дождевание – им в России и Украине поливается около 90% орошаемых земель, и поверхностный полив, или полив по бороздам – орошается до 10% земель. Нередко как самостоятельные способы полива выделяют подпочвенное и капельное орошение. В России и Украине, однако, с их помощью орошается не более 1% поливных земель.

При дождевании значительное количество радиоактивных веществ поглощается надземной частью растений, попадая на листья, стебли, цветы, плоды. При поверхностном поливе по бороздам, напуском по полосам, затоплением, когда почва увлажняется путем поглощения воды, подаваемой на поверхность орошаемого участка, их поступление осуществляется главным образом через корни. При подпочвенном орошении, когда вода поступает по капиллярам почвы непосредственно в ее корне­

обитаемый слой из системы подпочвенных увлажнителей (керамических или пластмассовых труб с открытыми стыками или пористых, кротовиноподобных дрен), поступление радиоактивных веществ в растения также происходит через корни.

Таким образом, поступление радиоактивных веществ в надземную часть растений, на которой у большинства видов сельскохозяйственных культур формируются продуктивные органы – части растения, идущие непосредственно в пищу или на изготовление продуктов питания, при орошении может происходить двумя путями: короткому – оросительная вода–надзем- ная часть (листья, цветки-плоды, стебли) и длинному – оросительная вода–почва–корень–стебли–листья–цветки-плоды. При первом пути миграции исключается поглощение радионуклидов твердой фазой почвы, являющейся важнейшим барьером на пути их продвижения в растения, корневой системой, где задерживается значительная их часть. Представление о роли этого дискриминационного фактора в накоплении 90Sr и 137Сs дают данные о сравнительном их поступлении в растения из разных типов почв и водных растворов (табл. 14.2).

В зависимости от того, что является источником поступления радионуклидов – почва или оросительная вода, принципиально различается и роль орошения в этом процессе. Если радиоактивные вещества содержатся в воде, то, естественно, при дождевании их поступление в продуктивные органы, формирующиеся на надземных частях растения, будет максимальным. При поверхностном поливе такой водой поступление радионуклидов будет значительно ниже, так как часть их поглотится почвой, останется в корне. Количество поглощенных почвой радионуклидов существенно возрастает при подъеме воды по капиллярам почвенных частиц из глубинных слоев, поэтому минимальным оказывается их поступление в растения из загрязненной воды при подпочвенном поливе.

Таблица 14.2

Кратность снижения радиоактивности 90Sr и 137Cs в растениях при выращивании их в почве по сравнению с водной культурой (Р.М. Алексахин и др., 1985)

При поливе незагрязненной радиоактивными веществами водой способ полива не имеет принципиального значения, хотя в общем можно отдать предпочтение дождеванию. В определенных ситуациях такой полив благоприятствует смыву с надземных частей радиоактивных частиц, попавших в результате выпадений, ветрового подъема; часть воды при этом поливе поступает в растения непосредственно через надземные органы, минуя радиоактивную почву.

Втом случае, когда радиоактивные вещества содержатся

ив почве, и в оросительной воде, их поступление в растения возрастает, хотя простого суммирования при этом может и не быть.

Исходя из всего сказанного об особенностях влияния орошения на поступление радионуклидов в растения, можно сформулировать некоторые самые общие подходы к стратегии защиты продукции растениеводства от их накопления в этих условиях.

Так, в случае возможности выбора способа орошения предпочтение следует отдать поверхностному поливу. Подпочвенный полив, ввиду незначительного распространения, можно не рассматривать.

Большое влияние на переход радиоактивных веществ в растения имеют сроки полива. К концу онтогенеза в период формирования урожая растения характеризуются активизацией многих систем метаболизма, сопровождающихся усилением поглотительной способности корневой системы. Развитые надземные органы способны удерживать и поглощать значительное количество воды. Поэтому при поливе на более поздних этапах развития растений, в особенности дождеванием, радиоактивные вещества в максимальных количествах накапливаются в созревающей продукции. В целом отмечается закономерность: чем ближе к концу созревания производят полив любым способом, тем выше оказывается накопление радионуклидов во всех органах. Исходя из этого необходимо отдавать предпочтение проведению поливов в первой половине вегетационного периода растений. Не следует допускать полива в период формирования и созревания урожая, в особенности полива дождеванием, когда продуктивными органами являются листья, цветки, плоды.

При орошении «чистой» водой почв, содержащих радиоактивные вещества, следует помнить, что увлажнение может способствовать их поступлению в растения. С целью ослабления влияния полива на накопление радиоактивных веществ в продукции также следует отдавать предпочтение поливу в более ранние сроки развития растений. Но, с другой стороны, поверхностный полив чистой водой способствует глубокому промыванию почвы, выносу радионуклидов за пределы пахотного гори-

зонта и в определенных ситуациях способствовать снижению их перехода в растения. Поэтому нередко рекомендуется в пределах установленого объема оросительной нормы (общее количество поливной воды, вносимое за вегетационный период) увеличить норму полива (количество воды, подаваемое за один полив на единицу площади) за счет уменьшения количества поливов.

Отмеченные отклонения в режиме орошения, безусловно, могут отразиться на продуктивности растений, так как приводят к нарушению оптимальных условий их выращивания. Но они позволяют получать на орошаемых загрязненной радионуклидами водой землях значительно более чистую продукцию растениеводства.

14.1.5. Использование специальных веществ и приемов

Известно довольно много различных относительно простых и сложных веществ, естественных и искусственных соединений, внесение которых в почву снижает переход радионуклидов в растения. Среди них можно выделить два основных класса: адсорбенты и комплексоны. Первые поглощают радионуклиды, делая их недоступными для растений, вторые образуют с ними комплексные соединения – комплексонаты, переводя в трудно растворимые не усваиваемые растениями формы либо, напротив, легко растворимые, которые вымываются из корнеобитаемого слоя в глубинные горизонты почвы.

В качестве адсорбентов наибольшее распространение получили некоторые природные минералы, обладающие высокой сорбционной способностью, в частности, цеолиты. Прочно и в больших количествах сорбируют 90Sr и 137Сs иллиты и вермикулиты, несколько слабее – монтморилониты и каолиниты. Эффективными сорбентами считаются также такие минералы, как флогопиты, гидрофлогопиты, глаукониты, палыгорскиты, асканиты, гумбрины, биотиты, бентониты. Несмотря на относительную дешевизну, их использование сопряжено с большими затратами, поскольку оно оказывается целесообразным только при очень высоких нормах внесения – до 0.5–1.0% к объему пахотного горизонта. А это 10–20 т мелкоразмолотого материала на один гектар поля. При таком разовом внесении удается снижать накопление радионуклидов в растениях в 1.5– 3.0 раза в течение нескольких последующих лет.

Достаточно выраженными сорбционными свойствами обладают так называемые «активные угли» – разновидности шлаков, образующихся после сгорания каменного угля.

Иногда эти минералы и материалы относят к мелиорантам, они существенно улучшают механические свойства почвы, создавая более благоприятные условия для роста и развития растений.

Во много раз снижают поступление в растения многих радионуклидов, в том числе 239Рu, 241Аm, вносимые в почву такие комплексоны, как аминополикарбоновые кислоты и их производные. Однако этот способ относится к очень дорогостоящему мероприятию и пока не получил распространения.

Следует подчеркнуть, что при одновременном применении нескольких из рассмотренных приемов по предупреждению поступления радионуклидов из почвы в растения, как правило, не удается добиться арифметического увеличения степени снижения их накопления в продукции растениеводства. На фоне комплекса мероприятий характер их влияния на поступление продуктов деления в растения может существенно изменяться вплоть до снижения эффективности каждого из них при использовании отдельно. В этом нет ничего удивительного, потому что несмотря на различие природы защитных факторов первичные пусковые механизмы связывания радионуклидов в почве, блокирования их всасывания корневой системой, передвижения по растению и другие могут быть общими. Впрочем, практически всегда комплексное применение этих приемов бывает более эффективным, чем каждого из них в отдельности.

Все рассмотренные выше приемы защиты растений от радионуклидов основаны исключительно на уменьшении их поглощения корнями – путем перемещения загрязненных горизонтов почвы за пределы сферы корнеобитания, переводе радионуклидов в трудно растворимые соединения, блокировании их поступления в растения, наконец, выращивании растений с низкими коэффициентами накопления. Ни один из них, за исключением снятия верхнего загрязненного слоя почвы – приема, эффективного лишь в самые начальные периоды после выпадения радиоактивных осадков, не снижает их содержания в почве.

Одним из очень немногих приемов очистки почвы от радионуклидов является фитодезактивация (фитоэкстракция, фиторемедиация) – их удаление с помощью специально выращиваемых растений.

Для фитодезактивации применяют растения, обладающие высокими значениями КН радионуклидов и формирующие большую биомассу. Этим требованиям отвечает довольно распространенное кормовое растение люпин, несколько в меньшей степени – кукуруза и подсолнечник, выращиваемые в условиях уплотненных посевов, другие виды культурных растений, как правило, компоненты кормовых травосмесей. При оптимальных и повышенных нормах удобрений, орошении, внесении в почву активной микробиоты (например, силикатных бактерий, ускоряющих разрушение радиоактивных частиц) – факторах, способствующих переводу радионуклидов в доступное растениям состояние и нарастанию биомассы, можно существенно по-

высить вынос радиоактивных веществ из почвы. Показано, что оптимальная система севооборотов растений с высокими значениями КН (2–10) и значительными урожаями биомассы позволяет в течение 4–5 лет снизить содержание в ней радионуклидов в 4–5 раз (Ю.А. Кутлахмедов, В.С. Давидчук, 2001).

Причиной, препятствующей широкому использованию фитодезактивации, является трудность утилизации огромных масс загрязненных радионуклидами растений.

Следует отметить, что в агроценозах – сельскохозяйственных угодьях – постоянно идет процесс естественной, или спонтанной фитодезактивации почв. Большое количество радиоактивных веществ выносится урожаем и на загрязненных радионуклидами чернобыльского происхождения территориях. Через четверть столетия после аварии были заметны ощутимые различия между их содержанием в почвах полей, на которых возделываются культурные растения, и почвах, к примеру, населенных пунктов. Сравнительно высоки темпы такой фитодез­ активации на лугах и пастбищах. С урожаем кормовых трав в течение вегетационного периода может выноситься от 4 до 12% радионуклидов.

14.2. Защита водоемов от поступления радионуклидов

При выпадении радиоактивных осадков вследствие испытаний ядерного оружия, аварий на предприятиях ядерной энергетики или других причин открытые источники водоснабжения (реки, озера и другие водоемы) всегда загрязняются продуктами ядерного деления за счет аэрального выпадения радионуклидов и их смыва с поверхности почвы дождевыми и талыми водами. И вода таких водоемов без специальной очистки (дезактивации), как правило, не может быть использована

вкачестве питьевой, оросительной и для других целей. Поэтому защита поверхностных вод естественных водоемов и систем водообеспечения населения и объектов народного хозяйства в случаях загрязнения поверхности Земли радиоактивными веществами является одним из важнейших прикладных задач радиобиологии.

Известно довольно много различных методов защиты (очистки) водоемов: механические, химические, биологические, флотационные. Наиболее эффективными, которые неоднократно прошли успешные испытания при ядерных инцидентах, являются механические. Среди них такие, как отстаивание воды

вспециально обустроенных земляных отстойниках, устройство ловчих карманов в руслах рек, установка всевозможных фильтрационных приспособлений.

Основным приемом защиты водоемов является ограждение их земляными валами и дамбами. В самом прямом смысле сло-

ва такие сооружения защищают их от смыва радионуклидов с загрязненных территорий дождевыми и талыми водами, а также от смыва радионуклидов с загрязненных берегов в периоды весенних разливов.

С целью уменьшения переноса радионуклидов течением рек устраивают специальные ямы-ловушки загрязненного ила, «донные убежища», представляющие собой поперечные канавоподобные углубления по дну рек между берегами, различные фильтрующие перемычки, плотины, запруды. Реализованные в ходе ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС на р. Днепр и его притоках эти контрмеры показали их достаточно высокую эффективность. И следует признать, что за весь послеаварийный период, начиная с первого года, практически не возникало ситуаций, когда бы радионуклидное загрязнение воды существенно превышало допустимые гигиенические нормативы.

Для очистки небольших водоемов (типа прудов) используют относительно дешевые сорбенты на основе природных минералов, которые позволяют извлечь из воды, осадить и закрепить радионуклиды в донных отложениях с последующим механическим их удалением.

Аналогично рассмотренному выше приему очистки почв (фитодезактивации) для очистки водоемов также можно использовать растения. Этот прием получил название ризофильтрации (от греческого rhiza – корень). В условиях водной культуры растения, как и гидробионты, обладают огромнейшими коэффициентами накопления радионуклидов. Так, если максимальные их значения в корнях некоторых видов высших растений, выращиваемых на различных типах почв, для 90Sr и 137Сs составляют 6–10, то в условиях водоемов могут достигать сотен и даже нескольких тысяч. Поэтому отдельные виды и водных, и наземных растений в определенных условиях могут быть использованы для очистки от радионуклидов небольших водоемов.

14.3.Снижение поступления радиоактивных веществ

ворганизм животных

Исходя из того, что продукция животноводства – молоко и мясо – являются основными поставщиками радионуклидов в организм человека, мероприятия по защите от их поступления касаются в основном сельскохозяйственных животных.

Главным источником поступления радиоактивных веществ в организм животных является корм (более 90%), основу которого составляют растения, и в значительно меньшей мере – вода. Набор приемов, способствующих снижению перехода радионуклидов из кормов в продукцию животноводства, весьма ограничен. Практически он сводится к правильному составлению