CC BY
430
УДК 574.539.16.047+582.29.32
Е.В. Михеева к.б.н. (Приволжско-Уральский филиал ФГУВНИИГОЧС), М.Г. Нифонтова д.б.н. (Институт экологии растений и животньх УрО РАН) РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ КАК ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО И ДОЛГОСРОЧНОГО МОНИТОРИНГА
E. Mikheeva, M. Nifontova RADIOACTIVE ENVIRONMENTAL CONTAMINATION: BIOLOGICAL OBJECTS AS THE INFORMATION SOURCE FOR OPERATIVE AND LONG-TERM MONITORING
В статье представлены основные результаты многолетних исследований на территории Урало-Сибирского региона по использованию лишайников, мха и торфа в качестве индикаторов масштаба радиоактивного загрязнения окружающей среды, в связи с их высокой концентрирующей способностью.
In this paper it is offered to use lichens, mosses and peat as environmental radioactive pollution indicators in view of their high concentrating ability. Research of the radionuclide maintenance in the given objects allows to receive operative and trustworthy information about scales of radioactive environmental contamination as a result of global losses, large and local emergency situations, and also during the postemergency period. The data of long-term researches of the radionuclide maintenance in mosses, lichens and peat of extensive Ural-Siberian territory can be used as a basis for the further monitoring and prediction of radioactive situation.
t
Е.В. Михеева
М.Г. Нифонтова
Развитие и усовершенствование ядерных технологий, наличие центров по использованию, переработке и захоронению радиоактивных материалов и отходов определяют необходимость проведения радиоэкологического мониторинга окружающей среды.
В некоторых живых организмах радионуклиды могут накапливаться в концентрациях, превышающих их содержание в окружающей среде. В плане радиоэкологического изучения особого внимания заслуживают биологические объекты с высокой концентрирующей способностью: лишайники, мхи, торф. Лишайникам и мхам принадлежит существенная роль в формировании напочвенного растительного покрова обширных территорий, занятых тундровыми, лесотундровыми и лесными природными комплексами. В то же время благодаря специфике архитектурной композиции анатомо-морфологического строения, особенностям физиологической деятельности и водного режима лишайники и мхи предрасположены к повышенной аккумуляционной функции, в том числе и радиоактивных элементов. Известно, что мохово-лишайниковый покров может фиксировать до 80 % радиоактивных веществ, поступающих с аэральными выпадениями и на продолжительное время задерживать последующие процессы миграции и перераспределения радионуклидов в почвенно-растительном покрове [1]; содержание радионуклидов в мохово-лишайниковом покрове как минимум на порядок превышает их концентрацию в травянистых растениях [2].
Повышенной способностью к накоплению радионуклидов обладает также и торф болотных экосистем, которые в отдельных регионах занимают довольно значительные площади. Ботанический состав и физико-химические свойства торфа оказывают влияние на сорбцион-ные возможности торфяных залежей. При высоких показателях объемной массы торфа, зольности и степени разложения активизируется концентрирование радионуклидов в торфяной залежи или отдельных ее горизонтах [3].
о
VO «
CP
го «
CP
и
CU т s
I
X
eu f— I
0
1
T
^
re I
Высокая концентрирующая способность лишайников, мхов и торфа обусловливает удобство их использования в качестве индикаторов радиоактивного загрязнения среды. Исследование уровней радиоактивного загрязнения данных объектов позволяет исключать более трудоемкие и длительные работы по анализу других компонентов экосистем с относительно низким содержанием нуклидов и при этом получать оперативную и достоверную информацию о степени загрязнения почвенно-растительного покрова. Использование биологических объектов в целях индикации предоставляет возможность проводить научное обоснование поведения техногенных радионуклидов в почвенно-растительном покрове, разработать систему радиоэкологического мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды.
Ниже представлены основные результаты исследований по использованию биологических объектов с высокой концентрирующей способностью для оперативной оценки радиационной обстановки и долговременного радиоэкологического мониторинга окружающей среды. Методика оценки содержания радионуклидов в биологических объектах была описана ранее [2].
Основными факторами, определяющими радиационную обстановку, считаются: наличие радиаци-онно опасных объектов (АЭС, пунктов захоронения радиоактивных отходов, предприятий по обогащению и переработке сырья с высоким содержанием естественных радионуклидов); природный радиационный фон; аварии на предприятиях атомного комплекса; вторичная ветровая миграция радиоактивной пыли,
образующейся на загрязненных территориях. Вклад в радиационную обстановку вносят и глобальные аэральные выпадения искусственных радионуклидов — результат медленного процесса выведения из стратосферы продуктов испытаний ядерного оружия, проводившихся ранее на полигонах ряда государств [3]. Благодаря высоким концентрирующим свойствам мхи, лишайники, торф могут использоваться для индикации аварийных радиоактивных выпадений и оценки загрязнения природных экосистем при воздействии радиоактивного выброса и в поставарийных ситуациях.
1. Глобальные радиоактивные выпадения
Радиоактивное загрязнение территорий под влиянием глобальных выпадений продуктов испытания ядерного оружия сформировалось в конце 40-х — начале 60-х годов XX века [4]. С середины 80-х годов наблюдалась стабилизация глобальных радиоактивных выпадений. В соответствии с динамикой содержания 9^г и 137Сб в аэральных выпадениях менялась концентрация радионуклидов в мхах и лишайниках изучаемых экосистем.
Сбор образцов для оценки содержания 9^г и 137Сб в биологических объектах с высокой концентрирующей способностью проводился на значительной территории в градиенте географических границ от 60° до 73° с.ш. и от 60° до 165° в.д., преимущественно в тундровой, лесотундровой, таежной и лесной зонах Урала и Сибири в 1991-1996 гг. (рис. 1).
Результаты изучения содержания радионуклидов в мохово-лишайниковом покрове различных бо-
0
ю
а р
го
а р
е и к
с е
т
и н
х
е т
1
о н
т
у
а
I
Рис. 1. Схема расположения учетных площадок
танико-географических зон и подзон представлены на рис. 2. В целом средние величины содержания радионуклидов в мохово-лишайниковом покрове разных растительных сообществ сохраняются в пределах от 60 до 120 Бк/кг сухой массы для 9^г и от 160 до 350 Бк/кг сухой массы для 137Сб. При этом не отмечается каких-либо специфических особенностей в аккумуляционной способности лишайников и мхов, как в меридиональном, так и в широтном направлениях.
Содержание изучаемых радионуклидов практически не различается в тундровой, лесотундровой и таежной зонах от Полярного Урала до северо-востока Сибири. Аналогичные уровни накопления радионуклидов установлены для лишайников и мхов северного полушария [5, 6], что свидетельствует о глобальном характере загрязнения этих растений.
Таким образом, на исследуемой территории современные концентрации 9^г и 137Сб в биологических объектах определяются глобальными аэральными выпадениями. Со временем наблюдается постепенное снижение радиоактивности лишайников и мхов относительно показателей, установленных в начале 60-х годов прошлого столетия [7]. Данные о содержании радионуклидов, полученные в период стабилизации глобальных радиоактивных выпадений, могут быть использованы при общей оценке радиационной ситуации в Урало-Сибирском регионе, а также служить основой для длительных мониторинговых и прогнозных работ.
2. Аварийные выбросы радионуклидов
Чернобыльская авария. В результате аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.) произошло нарушение
процесса стабилизации глобальных радиоактивных выпадений. До аварии средние значения 9^г и 137Сб в лишайниках и мхах из разных регионов не превышали 1-2 кБк/кг [8]. Нами установлено, что поставарийные концентрации радионуклидов в лишайниках и мхах 18-км зоны Чернобыльской АЭС изменяются в широких пределах: для 9^г от 8 до 200, для 137Сб — 102600 кБк/кг сухой массы и превосходят аналогичные показатели, установленные при исследовании травянистых растений [2]. Преимущественное накопление радионуклидов цезия обусловлено спецификой состава чернобыльских выпадений.
Восточным шлейфом чернобыльских радиоактивных выпадений была затронута территория Урала и Сибири [4]. На Урале в результате прохождения чернобыльского радиоактивного облака отмечено образование двух так называемых «пятен» повышенной концентрации радионуклидов. Первое (южная ветвь) сформировалось при радиоактивных выпадениях вдоль центральной траектории Гомель — Орел — Ряжск — Саранск — Ижевск и далее на Екатеринбург и Тюмень [9]. Второе «пятно» (северная ветвь) зарегистрировано на севере Свердловской области [10]. По нашим данным в 1985 г. концентрация 137Сб в мохово-лишайниковом покрове на данной территории составляла 250-400 Бк/кг. В результате выпадений после Чернобыльской аварии концентрация этого радионуклида в мхах и лишайниках на загрязненных территориях увеличилась в 20-40 раз, максимальная составила 10-12 кБк/кг. Концентрация 90Бг оставалась практически неизменной.
Рис. 2. Средние величины содержания радионуклидов в мохово-лишайниковом покрове Урало-Сибирского региона:
1 — южные тундры Полярного Урала, 2 — арктические тундры Западной Сибири, 3 — северные тундры Западной Сибири, 4 — южные тундры Западной Сибири, 5 — лесотундра Западной Сибири, 6 — среднетаежные леса Западной Сибири, 7 — лесотундра средней Сибири, 8 — северотаежные леса Средней Сибири, 9 — лесотундра северо-восточной Сибири, 10 — северотаежные леса северо-восточной Сибири, 11 — среднетаежные леса северо-восточной Сибири.
о
ю
а р
го
а р
к
с е
т
и н
х
е т
I
о н
т
у
а
I
0
ю
а р
го
а р
е и к
с е
т
и н
х
е т
1
о н
т
у
а
I
Начиная с 1987 г. радиоактивность глобальных атмосферных выпадений снижается и в течение трех лет практически достигает первоначальных уровней, фиксировавшихся до аварии [11]. В этот же период времени наблюдается постепенное уменьшение содержания 137Сб в лишайниках, мхах и субстратах под ними. Установлено [12], что на территориях, попавших под воздействие южного «пятна» радиоактивного загрязнения, в напочвенном мохово-лишайниковом покрове содержание 137Сб уменьшилось до сравнимых с исходными величинами в течение шести-семи лет.
Аналогичные процессы очищения от 137Сб произошли в мохово-лишайниковом покрове относительно равнинных ландшафтов на территории северного радиоактивного «пятна». Однако, в мохово-ли-шайниковом покрове горных экосистем, затронутых Чернобыльскими выпадениями, содержание 137Сб до настоящего времени остается повышенным.
Концентрации 9^г в мохово-лишайни-ковом покрове на всех обследованных участках Свердловской области (2001-2003 гг.) изменились в пределах 50-90 Бк/кг. Содержание 137Сб для основной территории области не превышает 170 Бк/кг. На относительно равнинных участках территории, затронутых ранее северной ветвью восточного шлейфа чернобыльских выпадений, и на периферийной части южной ветви радиоактивного следа содержание 137Сб составляет 210-280 Бк/кг. На «пятнах» максимального предшествующего радиоактивного загрязнения содержание 137Сб в среднем не превышает 320; на отдельных участках достигает 580 Бк/кг и статистически значимо отличается от величин, установленных для основной территории области [13].
В целом (несмотря на некоторое остаточное количество 137Сб чернобыльских выпадений) полученные результаты показывают, что уровни содержания искусственных долгоживущих радионуклидов в мохово-лишайниковом покрове обследованных растительных сообществ в настоящее время находятся в пределах того же порядка величин, которые установлены для территорий Урала и Сибири, и обусловлены поступлением 9^г и 137Сб с глобальными аэральными выпадениями.
Кыштымская авария. Известно, что довольно значительное радиоактивное загрязнение Уральского региона произошло в результате деятельности ПО «Маяк» и аварии в 1957 г., приведшей к формированию Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) [14]. По мнению Министра МЧС России С.К. Шойгу «...производственное объединение «Маяк» и в настоящее время продолжает представлять потенциальную опасность для региона в части возможности возникновения крупномасштабных радиационных инцидентов» [3]. В связи с этим необходимость мониторинга территорий, которые могут подвергнуться радиоактивному заражению в результате функционирования предприятия или аварии, не вызывает сомнений.
В пределах центральной оси Восточно-Уральского радиоактивного следа концентрация нуклидов в моховом покрове в начале 90-х годов XX века (спустя
50 лет после аварии) изменялась в широких пределах: 9(^г - 460-1350, 137Сб - 450-1100 Бк/кг. Вне пределов зоны радиоактивного следа концентрация 9^г в моховой растительности колеблется от 80 до 270, 137Сб
— от 90 до 330 Бк/кг. В мхах, собранных в непосредственной близости от эпицентра Кыштымской аварии, средняя концентрация 9^г составляет 7700 ± 800, 137Сб
— 4890 ± 560 Бк/кг. В целом представленные материалы показывают, что в лесных сообществах территории, находящейся вне границ радиоактивно загрязненной зоны, концентрации определяемых радионуклидов в моховом покрове практически не отличаются от уровней, обусловленных глобальными радиоактивными выпадениями. В пределах зоны радиоактивного следа содержание 9^г в мхах было увеличено в 5-6 раз, а 137Сб
— в 3-5 раз [15]. Полученные данные позволяют констатировать, что спустя более 50 лет после Кыштымской аварии в мхах на территории ВУРСа сохраняется повышенное содержание радионуклидов.
Кроме того, нами был проведен анализ содержания радионуклидов в торфяной залежи болота, расположенного в зоне ВУРС («Малое озеро»). Глубина исследованной залежи составила 100 см. В начале 90-х годов прошлого века содержание радионуклидов в торфе болота в 3-7 раз превышало уровни, установленные для торфяной залежи контрольного болота, находящегося более чем в 100 км к северо-западу от «Малого озера». Максимальная концентрация 9^г (990 Бк/кг) и 137Сб (900 Бк/кг) отмечалась в верхнем 20-см слое торфяной залежи болота. Преимущественное содержание 9^г относительно 137Сб, характерное практически для всей торфяной залежи, отражает особенность аэральных выпадений после аварии на ПО «Маяк» [16].
Следовательно, представленные материалы по содержанию радионуклидов в биологических объектах с высокой концентрирующей способностью демонстрируют возможности использования данных объектов как для оперативной оценки уровней радиоактивного загрязнения биоты непосредственно после аварии, так и спустя достаточно продолжительный период времени.
Заключение
Проведенные многолетние исследования показывают, что концентрации стронция-90 и цезия-137 в мхах, лишайниках и торфе отражают уровень радиоактивного загрязнения среды и меняются в соответствии с его динамикой, поэтому биологические объекты с высокой аккумулирующей способностью целесообразно использовать для целей радиоэкологического мониторинга.
Исследуемые биообъекты обладают рядом уникальных качеств, позволяющих осуществлять мониторинговые исследования на довольно высоком уровне. Морфологические особенности мхов, лишайников и торфа обусловливают их высокие сор-бционные характеристики и способность к долговременной фиксации радионуклидов. Структура таких объектов обеспечивает удобство при сборе образцов
для анализа. Использование биологических объектов с высокой сорбционной способностью для оценки радиационной обстановки позволяет исключать более трудоемкие и длительные работы по анализу других компонентов экосистем с относительно низким содержанием радионуклидов и при этом получать достоверную информацию о степени загрязнения растительного покрова.
Мхи, лишайники и торф могут быть использованы для оперативной оценки уровня радиоактивного загрязнения природных экосистем в зонах действия предприятий ядерно-топливного цикла, для
индикации радиоактивных выпадений после аварийных выбросов, для анализа и контроля поставарийной радиационной обстановки, а также для целей долговременного радиоэкологического мониторинга различных территорий.
Данные многолетних исследований содержания радионуклидов в мхах, лишайниках и торфе обширной территории Урало-Сибирского региона, полученные в период стабилизации глобальных радиоактивных выпадений, могут использоваться в качестве основы для дальнейших мониторинговых и прогнозных исследований.
Литература
1. Бязров Л.Г. Лишайники в экологическом мониторинге. — М.: Научный мир, 2002. — 336.
2. Нифонтова М.Г. Лихено- и бриоиндикация радиоактивного загрязнения среды: Автореферат диссертации докт. биол. наук. — Екатеринбург, 2003. — 50 с.
3. Последствия техногенного радиационного воздействия и проблемы реабилитации Уральского региона / Под общ. ред. С.К. Шойгу. — М.: Комтехпринт, 2002. — 287 с.
4. Израэль Ю.А., Квасникова Е.В., Назаров И.М., Стукин Е.Д. Радиоактивное загрязнение цезием-137 территории России на рубеже веков // Метеорология и гидрология. — 2000. — № 4. — С. 20-31.
5. Матишов Д.Г., Матишов Г.Г., Щипа Е.А., Павлова Л.Г. Новые данные о содержании радионуклидов в Баренцевом море и на побережье // Докл. РАН. — 1993. — Т. 332. — № 1. — С. 118-119.
6. White R.G. Ecological radionuclide concentration measurements in Alaska // Arct. Res. US. — 1994. — V. 8. - Spring. - P. 207.
7. Троицкая М.Н., Рамзаев П.В., Моисеев А.А. и др. Радиоэкология ландшафтов Крайнего Севера // Современные проблемы радиобиологии. — Т. 2. — Радиоэкология. — М.: Атомиздат, 1971. — С. 325-353.
8. Нифонтова М.Г., Куликов Н.В. О накоплении стронция-90 и цезия-137 лишайниками в природных условиях // Экология. — 1977. — № 3. — С. 93-96.
9. Израэль Ю.А., Назаров И.М., Фридман Ш.Ю. и др. Радиационная обстановка на территории европейской части СНГ и Урала в 1991 г. // Метеорология и гидрология. — 1991. — № 11. — С. 5-14.
10. Уткин В.И., Чеботина М.Я., Евстигнеев А.В. и др. Радиоактивные беды Урала. — Екатеринбург: Изд-во «Екатеринбург», 2002. — 93 с.
11. Зыкова А.С., Воронина Т.Ф. Испытания ядерного оружия в атмосфере и загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами // Радиоэкология. — 1993. — Т. 33. — Вып. 1 (14). — С. 598-602.
12. Нифонтова М.Г. Динамика содержания долгоживущих радионуклидов в мохово-лишайниковой растительности // Экология. — 1997. — № 4. — С. 273-277.
13. Нифонтова М.Г. Использование лишайников и мхов для оперативного определения радиоактивного загрязнения природной среды // Дефектоскопия. — 2005. — № 1. — С. 80-84.
14. Никипелов Б.В., Романов Г.Н., Булдаков Л.А. и др. Радиационная авария на Южном Урале в 1957 г. // Атомная энергия. — 1989. — Т. 67. — Вып. 2. — С. 74-80.
15. Нифонтова М.Г. Содержание долгоживущих радионуклидов в моховом покрове зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа // Экология. — 1995. — № 4. — С. 326-329.
16. Нифонтова М.Г., Маковский В.И. Содержание радионуклидов в торфяной залежи низинных болот // Экология. — 1995. — № 6. — С. 448-454.
^
н
0
VO
<я
CP
го <я
CP
QJ
X ^
и
CU т X
1 X CU н
I
0
1 т
<я I
