CC BY
8АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАМКНУТЫХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ И НЕКОТОРЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПУТИ ИХ
РЕШЕНИЯ
Зубарева А. В., д. т. н. Кравцов А. Г., к. т. н. Зотов С. В.
Республика Беларусь, г. Гомель, ГНУ «Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси» Гомельский филиал Национальной академии наук Беларуси Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной
академии наук Беларуси»
Abstract. The investigation of the closed aquatic ecosystems, affected by radioactive contamination, shows a weak ability of water objects to self-cleanse. The application of the polymer fiber material for the water purification from long-lived radionuclides is illustrated. The high efficiency of filtering-adsorption water purification achieved using a combine-sorbent, whose fibrous system impregnated with humic substances and green algae.
В индустриальном мире остро стоят вопросы защиты экосистем от техногенного воздействия. Наибольшую актуальность сохраняют проблемы, вызванные загрязнением водных объектов. Их экологическое состояние во многом обусловливает возможность ведения хозяйственной деятельности, определяет рекреационный и средообразующий потенциалы значительных территорий. Для ряда сопредельных регионов Беларуси, России и Украины сохраняет актуальность проблема радиоактивного загрязнения экосистем, возникшая вследствие ядерной техногенной катастрофы на Чернобыльской АЭС. Решение этой проблемы тесно связано с перспективами реабилитации пострадавших территорий. Актуальна разработка технологий, позволяющих снизить радиационную нагрузку на биоту и человека.
Поиск способов реабилитации загрязненных водоемов пока не привел к единому пониманию механизмов выведения радионуклидов из них [1]. Тем не менее, гидробиологам известен ряд объектов (гуминовые вещества, некоторые виды зеленых водорослей), способных к сорбции изотопов Cs, 239+240Pu, Am с выведением их из биологического круговорота [2,3,4]. В дополнение к этому, целесообразно использовать опыт, накопленный специалистами технических наук при разработке полимерных волокнисто-пористых фильтрующих материалов [5,6] с точки зрения их адаптации к задачам прикладной радиобиологии и экологии.
Цель работы - изучение радиоэкологического состояния водных объектов Гомельской области, загрязненных долгоживущими радионуклидами, и поиск путей снижения уровня негативного воздействия радионуклидов на водные объекты с помощью биологических и технических средств.
Объектом исследований явились вода и компоненты водной экосистемы озера Персток (30-км зона ЧАЭС, Гомельская область, Беларусь), которое, как показывают многолетние наблюдения, относится к одному из наиболее загрязненных объектов на данной территории. В качестве технических средств очистки воды апробированы полимерные волокнисто-пористые электретные и магнитные melt-blown материалы [5,6].
Установлено, что в озере Персток средняя удельная активность воды в 2014 г. составила: по 137Cs - 3,11 Бк/л; 90Sr - 5,16 Бк/л, 239+240Pu - 1,51 Бк/л; 241Am - 2,24 Бк/л при отсутствии тенденции к снижению уровня их активности в течение 2002-2014 гг. Несмотря на сравнительно низкую удельную активность, изотопы трансурановых элементов (239+240Pu, 241Am) представляют опасность из-за высокой энергии и малого пробега а-частиц, что создает в микрообъемах клеток и тканей высокую плотность ионизации, обусловливает суммирование во времени повреждений и затрудняет процессы восстановления. Установлено, что для донных отложений наибольшая удельная активность проявляется в 15-20 см слое (удельная активность
Ау по13'С8 - 1870, 908г - 37900, 239+240Ри - 130 Бк/кг). При изучении накопления 239240 Ри, Лш, С8 и 8г макрофитами (рисунок 1) и ихтиофауной (рисунок 2) проявились значительные видовые различия.
114 69 777 44
90Sr
137Cs
241Am
239+240pu
374
123
41 77
132
8
ш
38 1,3
2006
84
ж
1020 56
□ Роголистник погруженный □ Водокрас лягушачий
□ Рогоз лягушачий □ Рогоз широколиственный
Рис. 1 - Коэффициенты накоплення (Кн) радионуклидов макрофитсши
1264
¡,4^ 0,9!
2076 F7
239,240Ри 241 Am 117Св
Рис. 2 - Коэффициенты накопления радионуклидов ихтиофауной
Таким образом, в период отдаленных последствий катастрофы на ЧАЭС сохраняется высокий уровень загрязнения основных компонентов замкнутых водных экосистем, процессы самоочищения в водоемах критически замедлились, а в ряде случаев можно судить об их прекращении.
Экспериментально установлено, что существует возможность эффективной очистки загрязненной воды путем комбинированного использования биоагентов (способных к активной сорбции радионуклидов с выведением последних из биологического круговорота) и технических средств фильтроадсорбционной очистки на основе полимеров. Такую возможность обеспечивает комбинированный сорбент на основе полимерного волокнистого носителя, импрегнированного дисперсной взвесью гуминовых веществ или зеленой водорослью хлорелла (Chlorella vulgaris). Тип носителя выбран ввиду достигаемого в melt-blown материалах уникального сочетания структурных параметров и физических свойств - они обладают свойством задерживать частицы дисперсной фазы и пропускать дисперсионную среду, демонстрируя малое гидродинамическое сопротивление, являются химически стойкими при любом составе очищаемой воды и технологичными в эксплуатации. Волокнистая система проявила способность эффективно осаждать и прочно удерживать целевые добавки -гуминовые вещества и зеленые водоросли (рисунок 3).
а б
Рис. 3 - Микрофотоснимки среза волокнистого материала, импрегнированного биоагентами: а - взвесью гуминовых веществ; б - зелеными водорослями
Установлено (таблица 1), что с наибольшей эффективностью (до 6 % масс.) гуминовые вещества накапливаются волокнистым melt-blown носителем, который обладает плотностью 0,2 г/см3, электретным зарядом с эффективной поверхностной плотностью 15 нКл/см2 и остаточной магнитной индукцией 0,6 мТл. Фильтрация воды, взятой из озера Персток, через комбинированный сорбент с вышеуказанным оптимальным набором параметров позволила получить воду, удельная активность которой оказалась ниже показателя минимально детектируемой активности (МДА) на современном высокоточном у-спектрометре с германиевым детектором.
Таблица 1. Зависимость эффективности введения гуминовых веществ от свойств
носителя
Показатель свойств носителя Осаждение гуминовых веществ на носителе, г
Электрическое и магнитное поля отсутствуют
Плотность материала носителя, г/см3
0,1 0,78
0,2 1,05
0,3 0,54
Магнитное поле отсутствует, плотность материала носителя 0,2 г/см3
Поверхностная плотность электретного заряда материала носителя, нКл/см2
5 0,37
10 0,85
15 1,05
Электрическое поле отсутствует, плотность материала носителя 0,2 г/см3
Магнитная индукция на носителе, мТл
0,2 0,64
0,4 1,05
0,6 0,98
По-видимому, обеспечивается комплексное действие всех компонентов сорбента на очищаемую среду. Носитель, состоящий из переплетенных и скрепленных между собой волокон микронных размеров, сам по себе является неселективным сорбентом дисперсных частиц загрязнений. Стабильные в водной среде поле объемного электретного заряда волокон [6] и магнитное поле, создаваемое магнитным наполнителем, способствуют физическому захвату частиц загрязнений, ионному транспорту растворенных загрязнений, иммобилизации
на волокнах биоагентов, а также инициируют поглощение последними электрически неравновесных частиц, содержащих долгоживущие радионуклиды.
Тем самым, на стыке научных направлений радиобиологии, радиоэкологии и материаловедения удалось предложить способ извлечения радионуклидов из воды загрязненных водоемов. Это иллюстрирует перспективность разработки технических путей решения техногенных проблем, связанных с загрязнением водоемов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алимов, А.Ф. Введение в продукционную гидробиологию / А.Ф. Алимов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 152 с.
2. Дударчик, В.М. Гуминовые препараты торфа для очистки сточных вод от тяжелых металлов/ В.М.Дударчик, С.И.Коврик, Т.П. Смычник // Сб. трудов V Всероссийской научной конференции «Гуминовые вещества в биосфере», г. С.-Петербург, 1-4 марта 2010 г. - СПб., 2010. - С. 392-396.
3. Аввакумова, Н.П. Гуминовые вещества - фактор защиты биосистем от экотоксикантов / Н.П. Аввакумова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, №1 (2). - С. 197-201.
4. Богданов, Н.И. Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris BIN для получения биомассы и очистки сточных вод: пат. Рос. Федерации № 2192459 / Н.И. Богданов. - Бюл. № 31. - 2002.
5. Кравцов, А.Г. Полимерные материалы для решения экологических задач / А.Г. Кравцов, С.В. Зотов // Наука и инновации. - 2008. - Т. 68, № 10. - С.70-72.
6. Кравцов, А.Г. Полимерные волокнисто-пористые фильтрующие материалы / А.Г. Кравцов [и др.]. - Гомель: БелГУТ, 2012. - 319 с.
Article was received 2015-09-08 © Зубарева А. В., © Кравцов А. Г., © Зотов С. В.
