ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.04.2021
Просмотров: 2936
Скачиваний: 13
Особый интерес представляет изучение поведения радионуклидов в прибрежной зоне Мирового океана, куда может поступать радиоактивный сток рек. Эти районы характеризуются быстрым перемещением вещества, интенсивным задерживанием поступающего сюда стока, значительной биологической активностью и большим количеством биогенной и литогенной взвеси. Большая часть радиоактивных веществ, поступающих в эти районы с твердым материковым стоком, выпадает здесь в донные отложения (4,24).
Прибрежные экосистемы морей (дельты рек, эстуарные акватории) отличаются относительно высокой способностью к фильтрации радионуклидов из морской воды в донные отложения, макрофаги и зообионты. В таких зонах зафиксированы максимальные уровни загрязнения морей. Для многих морей в этом ключевую роль играет аккумулирующие свойства глинистых отложений и водорослей. Фильтрационные способности таких зон определяются насыщенностью речных и талых вод искуственными радионуклидами, темпами седиментации и биологической продуктивности, скоростью стоковых течений, условиями перемешивания морских и пресных речных вод.
В зонах дельты и эстуарной акватории крупных рек темпы осадконакопления на много порядков выше, чем в открытом море. В условиях высокой скорости седиментации в зоне смешивания речных и морских вод происходит активное накопление в донных отложениях таких радионуклидов, как 137Cs, 239,240Pu, 60Со и, отчасти 90Sr, который достаточно устойчив в водной фазе и для которого не характерно эффективное накопление в донных отложениях.
Определенная часть искусственных радионуклидов из речных вод вовлекается в процесс биологической сорбции, которая также заканчивается в донных осадках. В этой биофильтрации вод важную роль играют заросли прибрежной растительности (от земных нитчатых водорослей до макрофагов), при отмирании которых накопленные в их тканях ИРН переходят в грунты.
Наиболее интенсивное загрязнение российских морей происходило в 1960-1970 гг. Источниками загрязнения являлись ядерные взрывы, предприятия ядерного топливного цикла, судостроительные и судоремонтные заводы и базы атомного флота, захоронения РАО и силовые ядерные установки. Большинство этих источников загрязнения характерны для арктических морей. С речными стоками в 1961-1990 гг в эти моря поступило 90Sr: в Белое и Баренцево моря: - 3,8 . 1014 Бк; в море Лаптевых – 4,6 . 1014Бк; в Восточно-Сибирское – 1,7 . 1014 Бк; в Карское – 1,4 . 1015 Бк. В последующие годы загрязнения уменьшились на порядок за счет сокращения сбросов радионуклидов, их естественного радиоактивного распада и процессов самоочищения.
Открытый океан относительно беднее живыми организмами и твердым веществом в поверхностных слоях, а также здесь ниже общее содержание питательных веществ. Хорошо выраженная стратификация в открытом океане препятствует крупномасштабному перемешиванию и вертикальному подъему глубинных вод. Инертные вещества не задерживаются в прибрежной части океана, а мигрируют в открытый океан. Биологически активные нуклиды, наоборот, усваиваются живыми организмами в прибрежной зоне и затем выпадают на дно. Радионуклиды, длительно пребывающие в океанической среде, накапливаются в открытом океане.
Для морских экосистем основной вклад в выведение радионуклидов из воды дают литодинамическая и биологическая адсорбция.
Литодинамическая адсорбция состоит в поглощении радионуклидов поверхностью взвешенных частиц и илов и осаждении их на дно. Основное значение в этом процессе принадлежит глинистым минералам, органическому углероду, железу, марганцу и алюминию. Они обладают огромной сорбирующей емкостью по отношению к содержащимся в жидкой фазе радионуклидам, что приводит к отложению радиоактивных веществ на дно. Аккумуляция радионуклидов в донных отложениях может обусловливать накопление их в организмах, обитающих в илах, а это может привести к поступлению радионуклидов с продуктами моря в организм человека.
Сорбционная способность донных отложений зависит от размера частиц илов, физико-химических свойств радионуклидов и состава жидкой фазы.
Геохимическая роль донных отложений двояка – они могут как депонировать радионуклиды (и тем способствовать самоочищению воды), так и десорбировать из (загрязнять воду).Так, например, донные отложения являются основным источником радионуклидов радия (226Ra, 228Ra) в воде. Кроме того, перемещение радионуклидов, находящихся в донных илах, может быть вызвано непосредственным передвижением донных осадков (4,19).
Наиболее важную роль в миграции радионуклидов в морской среде играют живые организмы. Их значение особенно велико в участках водной среды с большой биомассой гидробионтов. Концентрация радионуклидов в гидробионтах значительно выше, чем в воде, а кроме того, живые организмы могут перемещаться в иных направлениях чем водные массы. Все это определяет их значение в переносе радионуклидов в водной среде. Вследствие аккумуляции радионуклидов водными организмами (особенно водными растениями) техногенные радионуклиды обнаруживаются в них чаще, чем в воде, а для большинства рыб концентрация техногенных радионуклидов не превышает нескольких процентов от уровня естественного радиоактивного фона.
Биологическая адсорбция происходит непрерывно в процессе солевого обмена водными организмами с внешней средой (водой) и обусловлена проницаемостью для ионов покрова тела всех видов гидробионтов. Для конкретного организма она заканчивается либо трансформацией по пищевым цепям, либо вовлечением его в донные осадки (после отмирания). Скорость сорбирования и коэффициенты поглощения радионуклидов из воды определяются индивидуальными особенностями того или иного вида (морфологические черты организма, возраст, площадь адсорбционной поверхности тела).
Концентрация радионуклидов в гидробионтах зависит не только от концентрации радиоактивных веществ в воде, но и от степени ее минерализации. Так, содержание Sr и Cs в морских гидробионтах существенно ниже, чем в обитателях пресноводных водоемов. С уменьшением степени минерализации воды в местах впадения в моря и океаны рек, несущих более пресные воды, концентрация искусственных радионуклидов в гидробионтах увеличивается. Например, содержание Sr в костях рыб в заливах Балтийского моря примерно в пять раз выше, чем в рыбах Атлантического океана (4,5).
В водных пищевых цепях радионуклиды мигрируют иначе, чем в наземных цепях: некоторые гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления радионуклида, но и наоборот, энергично их аккумулируют. Для гидробионтов вода - единственная среда обитания. В их организм радионуклиды поступают через жабры и поверхность тела, т.е. минуя кишечник, при этом некоторые удерживают их лишь самым поверхностным слоем (морские водоросли).
Гидробионты фиксируют прежде всего те радионуклиды, которые легко осаждаются с органическими веществами и образуют с ними комплексы, уже мало участвующих в обмене веществ.
В организме рыб радионуклиды распределяются избирательно. Критическим органом является костный скелет, плавники и чешуя, т.е. ткани, содержащие Са. В мышцах же его концентрация значительно ниже. Цезий, напротив, накапливается в мышечной ткани и коже рыб.
Аккумуляцию радионуклидов гидробионтами оценивают с помощью коэффициентов накопления – отношения концентрации радионуклида в гидробионте и в окружающей его среде в равновесии. Это относительный показатель, т.к. водные организмы могут усваивать радионуклиды одновременно из нескольких источников (например, из воды и донных отложений). Как правило, радионуклиды усваиваются гидробионтами из воды двумя путями: по пищевой цепи и непосредственно из воды в процессе минерального питания. В период эмбрионального и раннего постэмбрионального развития рыба усваивает радионуклиды только из воды, а после перехода на активное питание основное количество радиоактивных веществ поступает в ее организм из кормов и частично из воды. Даже у многощетинковых червей, обитающих в донных отложениях, вода как источник радионуклидов играет более важную роль, чем илы. Хотя вода может быть и не единственным (а иногда и не основным) источником радионуклидов, определение коэффициента накопления радионуклидов по отношению к водной фазе оправдано тем, что это - первое звено, куда поступают искусственные радионуклиды (19).
Положение упрощается для водных организмов, населяющих поверхностные слои водной среды и играющих наиболее важную роль в переносе радиоактивных веществ в гидросфере. Главным и в большинстве случаев единственным источником радионуклидов для планктона и нектона является вода, и в этом случае коэффициент накопления однозначно соотносит концентрацию радионуклида в гидробионте и воде (5).
Коэффициент накопления радионуклидов одними и теми же организмами может варьировать в достаточно широких пределах. Травоядные организмы по сравнению с хищными характеризуются более высокой аккумуляцией некоторых радионуклидов. Накопление выше на низших трофических уровнях, чем на более высоких, т.е. коэффициент накопления водными организмами уменьшается по мере перехода к более высоким трофическим уровням (105). Различна и интенсивность усвоения радионуклидов различными видами животных. Например, морскими беспозвоночными (Carcinus) радионуклиды усваиваются из пищи с интенсивностью до 20—60%, тогда как у млекопитающих этот показатель равен десятым и сотым долям процента (5,19).
Пресноводные водоемы. В пресноводной среде накопление радионуклидов гидробионтами существенно отличаются от морской. Это объясняется физико-химическими, гидрологическими, гидродинамическими и гидрохимическими особенностями пресноводной воды. Пресные водоемы содержат меньше солей, что обеспечивает большее накопление радионуклидов в пресноводных растениях и животных по сравнению с морскими и океаническими. Пресноводные органзмы для поддержания нужного осмотического давления, гипертонического по отношению к окружающей пресной воде поглощают из нее соли, а морские для саморегуляции их, наоборот, выделяют (5).
В природных условиях основное количество осевших из воздуха на зеркало пресноводного водоема или сброшенных в эти водоемы искусственных радионуклидов довольно быстро переходило в донные отложения, а в биомассе накапливалось незначительно. Например, содержание Sr и Сs в биомассе одного из пресноводных озер зоны умеренного климата равно соответственно 0, 85 и 0, 3% общего количества радионуклидов в водоеме. Эффект трофических уровней проявляется только для хищных видов рыб и характеризуется повышенным накоплением радиоактивного цезия в тканях хищных видов рыб по сравнению с растительноядными (5,46).
Средние коэффициенты накопления Sr в различных частях сети питания для озерной воды, составляет (5):
Озерная вода –1
донные осадки-200
Водные растения-100
Моллюски-750
Мелкая рыба-1000
кости окуня-1000
ондатра - 1500
бобр-1400
При попадании радионуклидов в водоемы возникает проблема радиационной безопасности в двух аспектах:
- биологическом — влияние повышенного фона ионизирующих излучений на гидробионты.
- санитарном-гигиеническом - водная продукция (рыба и морепродукты), может быть использована как компонент рациона человека, а водоем - как источник воды для человека и животных. Кроме того, вода может быть использована как источник орошения. Тогда радионуклиды могут попасть в организм человека с продуктами, выращенными на орошаемых землях (5).
5.3 Почва
Почва — важнейшее депо искусственных радионуклидов в наземной природной среде. Радиоактивные вещества поступают в почву из атмосферы в составе глобальных выпадений и выбросов АЭС, а также в виде твердых и жидких отходов предприятий ядерного топливного цикла. Радионуклиды со временем вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и могут вызывать негативные последствия (112).
Радионуклиды в зависимости от химических свойств обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, либо сохраняться и накапливаться.
Радионуклиды, поступившие в почву, не изменяют физико-химического состава почвы и с течением времени распределяются в 30-ти сантиметровом слое. В почве радионуклиды включаются в различные процессы, среди которых наибольшее значение имеют сорбция и миграция. Радионуклиды вступают в физико-химические реакции взаимодействия с почвенным поглощающим комплексом (ППК), усваиваются почвенными микроорганизмами, образуют нерастворимые и растворимые в почвенном растворе соли и коллоидные соединения, что сопровождается трансформацией форм их соединений, изменением миграционной подвижности и биологической доступности для корневых систем растений. Поглощение радионуклидов ППК определяется процессами распределения между двумя основными фазами почвы — твердой и жидкой и осуществляется за счет следующих основных взаимообратимых процессов.
1. Сорбция <—>десорбция. Сорбция — это поглощение радионуклидов твердыми частицами почвы из почвенного раствора. Десорбция — это выделение или переход радионуклидов из частиц в почвенный раствор. Поглощение радионуклидов поверхностным слоем частиц называется адсорбцией.
2. Осаждение <—> растворение. Осаждение — это образование труднорастворимых и нерастворимых соединений радионуклидов. Растворение — это переход радионуклидов в почвенный раствор из соединений.
3. Коагуляция <—>пептизация. Коагуляция — это образование крупных коллоидных соединений в дисперсных системах. Пептизация — это распад крупных и сложных соединений на мелкие и простые.
На подвижность радионуклидов в почве оказывают влияние такие факторв как физико-химическая характеристика радионуклидов, время и формы нахождения в почве, свойства почвы, погодно-климатические условия, тип растительного покрова.
Среди физико-химических характеристик наибольшее влияние на поведение радионуклидов в почве оказывают свойства радиоактивных выпадений и равномерность распределения их в почве, степень дисперсности и растворимость выпадений, атомная масса и величина заряда иона радионуклида, способность радионуклида образовывать комплексные и нерастворимые соединения, а также способность радионуклидов к изоморфному замещению элементов в почвенных минералах. Радионуклиды, поступившие в почву в водорастворимой форме и в составе тонкодисперсных радиоактивных частиц, активно и быстро включаются в почвенные процессы. При этом одновалентные ионы цезия-137 вступают в ионно-обменные реакции с ионами глинистых частиц почвенно-поглощающего комплекса, где прочно фиксируются, изоморфно замещая калий в кристаллических решетках. Ионы двухвалентного стронция-90 практически не участвуют в таких ионно-обменных реакциях, поэтому стронций-90 не поглощается ППК и находится в почве в подвижном состоянии.
Из свойств почвы наибольшее влияние на сорбцию оказывают агрохимические показатели (кислотность почвенного раствора, емкость поглощения и состав обменных катионов, содержание органического вещества), а также минералогический и гранулометрический состав почвы. Определяющую роль при взаимодействии радионуклидов с почвой играет поглотительная способность почвы, т.е. способность почвенных частиц поглощать ионы химических элементов из почвенного раствора и удерживать их в связанном состоянии. Гедройц К.К. (16) выделил 5 видов поглотительной способности почв: 1) механическая поглотительная способность, т.е. механическое поглощение радиоактивных частиц порами и капиллярами почвы; 2) биологическая поглотительная способность, т.е. избирательное поглощение радионуклидов фауной и микроорганизмами; 3) физическая поглотительная способность, т.е. поглощение из почвенного раствора поверхностью частиц молекул воды и ионов щелочных элементов; 4) химическая поглотительная способность, т.е. образование в результате химических реакций труднорастворимых и нерастворимых в воде соединений; 5) физико-химическая или обменная поглотительная способность, т.е. способность почвенных коллоидов поглощать катионы из раствора в обмен на эквивалентное количество катионов коллоидов. Коллоиды — это сложные минеральные, органические и органоминеральные соединения. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85–90% их общей массы. К ним относятся глинистые минералы, гидрооксиды железа, алюминия, марганца, кремния и их комплексные соли. Основное свойство коллоидов — способность к поглощению веществ из раствора в виде ионов и молекул. Поглощенные ионы и молекулы могут обмениваться на другие ионы и молекулы, находящиеся в почвенном растворе, т.е. коллоиды обеспечивают поглотительную и обменную способность почв. Большая удельная поверхность и наличие двойного слоя ионов на внешней части, которые способны к эквивалентному обмену, придают коллоидам высокую реакционную активность. Обменное поглощение оказывает основное влияние на поведение радионуклидов в почве. Процессы обменного поглощения происходят на поверхности частиц. Обменной поглотительной способностью обладает тонкодисперсная фракция или ППК. При этом после поглощения катиона радионуклида он может снова вытесняться в почвенный раствор из ППК. Реакция обмена происходит до установления равновесия, которое может смещаться при изменении состава катионов почвенного раствора. Изменение концентрации ионов почвы может существенно влиять на распределение ионов радионуклидов в почве (например, при внесении минеральных удобрений). Однако изменение концентрации радионуклидов практически не влияет на распределение ионов ППК.