CC BY
15УДК 504.5:621.039.1:597.851
исследование накопления радионуклидов озерной лягушкой
(PELOPHYLAX R/D/BUNDUS pall.)
в водных экосистемах как индикатор антропогенного загрязнения
© 2016 г. М.я. Чеботина1, в.П. Гусева1, в.Г. Мщенко1, д.л. Берзин2
1 ФГБУН «Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук», г. Екатеринбург, Россия
2 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. Б.Н.Ельцина», г. Екатеринбург, Россия
Ключевые слова: озерная лягушка, сеголетки, головастики, накопление радионуклидов, загрязнение водного объекта, Белоярское водохранилище, Верхнетагильское водохранилище, река Тагил, 90Sr, 134,137Cs.
М.Я. Чеботина В.П. Гусева В.Г. Ищенко Д.Л. Берзин
Исследовано накопление антропогенных радионуклидов 90Sr и 137Cs в озерной лягушке (Pelophylax ridibundus Pall.) в районах расположения Белоярского и Верхнетагильского водохранилищ на Урале, подверженных антропогенному загрязнению. Постановка работы обусловлена широким распространением данного вида амфибий в водоемах, отсутствием в литературе данных по радиоэкологии озерной лягушки, а также тем, что данные исследования могут служить хорошим индикатором антропогенного загрязнения.
Определены уровни накопления радионуклидов лягушкой в промливневом канале Белоярской АЭС, характеризующемся повышенным сбросом 90Sr и 137Cs в экосистему канала. Для сравнения выбрана р. Тагил в месте сброса воды из Верхнетагильского водохранилища - водоема-охладителя Верхнетагильской ГРЭС. Установлено отсутствие достоверных различий в накоплении радионуклидов
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
водное хозяйство России
в зависимости от пола и возраста амфибий. Оценены сравнительные уровни накопления радионуклидов озерной лягушкой по сравнению с другими представителями водной экосистемы. На примере промливневого канала показано, что накопление 90Sr снижается в ряду: планктон > лягушки, растения, грунт > ихтиофауна, а 137Cs - планктон > растения > лягушки, грунт > ихтиофауна. Содержание 137Cs в животных из промливневого канала оказалось достоверно ниже, чем в р. Тагил. Высказано предположение о наличии неидентифицирован-ного источника радиоактивного загрязнения амфибий, откуда 137Cs переносится лягушкой в р. Тагил.
Исследование роли животных в водных экосистемах, как индикатора антропогенного загрязнения, является важной научно-практической задачей при изучении процессов накопления и распространения техногенных радионуклидов в пространстве и по пищевым цепям. В процессе исследований основное внимание обычно уделяется рыбе как продукту питания человека. Остальные обитатели пресноводных водоемов, в т. ч. озерные лягушки, изучены слабо. В связи с высокой мобильностью в воде и на суше озерные лягушки могут переносить радионуклиды и химические поллю-танты из загрязненных территорий и тем самым способствовать их распространению в окружающей среде.
Озерная лягушка (Pelophylax ridibundus Pall.) - один из широко распространенных чужеродных видов амфибий - случайно попала в водоемы Уральского региона и расселилась на значительной территории [1, 2]. Экологические особенности этого вида изучены и описаны в работах [3-5]. Показано, что озерные лягушки достаточно толерантны к химическим загрязнениям и повышенным температурам водной среды, а личинки амфибии способствуют очищению воды от поступающих с промышленными стоками поллютантов органической и неорганической природы [6-8]. Излюбленным местом обитания озерной лягушки служат зоны подогрева водоемов-охладителей тепловых и атомных электростанций, где создаются благоприятные условия для жизни и размножения лягушек в течение всего года. Однако в условиях умеренных широт она благополучно живет и размножается при более низких температурах.
К настоящему времени вопрос о накоплении радионуклидов лягушками в зонах размещения предприятий ядерно-топливного цикла слабо изучен. В работе [9] приводятся данные о накоплении 134,137Cs в некоторых видах лягушек 20-километровой зоны Фукусимской АЭС после аварии 2011 г. Во взрослых лягушках и сеголетках, обитающих в озере, концентрации радионуклида варьировали от 68 до 750 Бк/кг сырой массы. Работы [10, 11] посвящены исследованию накопления и оценке доз облучения лягушек Rana arvalis, оби-
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
тающих в заболоченных экосистемах центрально-восточной части Швеции через 17 лет после Чернобыльской аварии. По результатам исследования, средняя концентрация 137С8 в лягушках составила 1,7 ± 1,1 кБк/кг сырой массы, при этом наиболее высокие значения отмечены для самых мелких особей амфибий (3,5 кБк/кг сырой массы). Авторами оценены коэффициенты накопления радионуклида лягушками по отношению к его концентрации в почве и воде. Несмотря на то, что в почве содержалось 137С8 значительно больше, чем в воде, коэффициенты накопления радионуклида в лягушках по отношению к воде (2500-19100) были выше, чем к почве (0,006-7).
Цель данной работы - исследовать уровни накопления антропогенных радионуклидов 90Бг и 137С8 озерной лягушкой в районах размещения Бело-ярского и Верхнетагильского водохранилищ в Свердловской области.
Белоярское водохранилище, являющееся водоемом-охладителем Бе-лоярской АЭС (БАЭС), образовано в 1959-1963 гг. путем зарегулирования русла р. Пышмы в 75 км от ее истока. Протяженность водоема около 20 км, ширина на уровне АЭС около 3-х км. Глубина по фарватеру р. Пыш-мы достигает 15-20 м, средняя глубина 8-9 м. Площадь зеркала водоема составляет примерно 47 км2. Белоярская атомная электростанция расположена на левом берегу водохранилища в 7 км от плотины. Она была введена в эксплуатацию в 1964 г. Первый и второй энергоблоки станции к настоящему времени уже выведены из эксплуатации. В 1980 г. запущен третий энергоблок корпусного типа на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (БН-600), который работает и в настоящее время. За период работы станции сотрудниками Института экологии растений и животных УрО РАН достаточно подробно изучены экологические особенности водоема-охладителя, выявлены закономерности накопления и распределения антропогенных радионуклидов в различных компонентах Белоярского водохранилища, находящегося под длительным воздействием Белоярской АЭС. Результаты этих работ описаны в ряде статей и монографий [12-17].
Основным путем поступления радионуклидов в Белоярское водохранилище от АЭС в настоящее время является промливневый канал (ПЛК), куда сбрасываются дебалансные воды станции. Они включают воды, прошедшие спецводоочистку, воды спецпрачечных, душевых, талые и ливневые воды с территории станции; кроме того, сюда же поступают воды с соседнего предприятия - Института реакторных материалов, где работает экспериментальный реактор. Периодическое обследование радиоэкологического состояния ПЛК подтвердило факт надфонового загрязнения воды, гидробионтов и грунтов канала 90Бг и 137С8 (вода, 2004 г. - 0,02 и 0,012 Бк/л; грунт, 2003 г. - 10-30 и 3000-6000 Бк/кг; рдест гребенчатый, 1980 г. - 104 и 95000 Бк/кг в расчете на сухую массу по 90Бг и 137С8 соответственно). ПЛК,
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
не замерзающий в холодный период года, облюбовали озерные лягушки, визуальная численность которых достаточно велика. Выполнение данного исследования связано с тем, что в литературе отсутствуют данные о накоплении радиоактивных загрязнителей этим видом амфибий в зонах постоянного сброса радионуклидов в водную среду предприятиями ядерно-топливного цикла и, в частности, Белоярской АЭС.
Для сравнительной оценки накопления радионуклидов озерной лягушкой выбран район расположения Верхнетагильского водохранилища, удаленный на > 100 км на северо-запад от Белоярской АЭС и характеризующийся массовым скоплением озерной лягушки. Водоем образован в 1960 г. в районе слияния рек Тагил и Вогулка. Площадь зеркала водоема 3,5 км2, средняя глубина 3,8 м, максимальная глубина 5 м. Водохранилище служит в качестве водоема-охладителя Верхнетагильской ГРЭС (1500 мВт). Подогретая вода используется для обеспечения горячей водой населения и предприятий г. Верхнего Тагила. По характеру теплового баланса Верхнетагильское водохранилище относится к категории водоемов с сильным перегревом, т. к. температура воды в нем постоянно превышает температуру воды в естественных водоемах более чем на 6 °С. В середине вегетационного периода температурный показатель колеблется в пределах 30 °С, а в наиболее холодное время не опускается ниже 8-10 °С. Озерная лягушка была завезена в водохранилище из Краснодарского края в 1980-х гг. при за-рыблении водоема белым амуром [1, 8] и широко распространилась в экосистемах сообщающихся рек и водоемов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследование выполняли в 2013-2014 гг. на промливневом канале, соединяющем БАЭС с Белоярским водохранилищем и р. Тагил ниже плотины, через которую происходит сброс воды из Верхнетагильского водохранилища. Объектами исследования служили озерные лягушки, в т. ч. взрослые особи и сеголетки, головастики, рыбы и мальки рыб, водные растения, планктон, грунт.
Лягушек, лягушат, головастиков и мальков рыб отлавливали при помощи сачков и усыпляли эфиром. В процессе отбора материала лягушек отлавливали в количестве 43 и 15 взрослых особей в ПЛК и р. Тагил, соответственно. Лягушат - 4 особи, мальков рыб - 375 г, головастиков -130 г. Растения, рыбу, песчано-илистый грунт отбирали в трех повторностях по 2-3 кг на повторность. Планктон отбирали из слоя 0-1 м от поверхности воды при помощи сачков, изготовленных из мельничного газа с размером пор 0,067 мм. После отбора все пробы транспортировали в лабораторию, высушивали, озоляли при температуре 450 °С, после чего определяли в них содержание радионуклидов.
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
В лаборатории у лягушек измеряли длину тела, определяли пол и возраст. Для определения возраста использовали срезы толщиной 15-18 мкм второй фаланги 4-го пальца правой задней конечности амфибии. После декальцинации пальцев в течение пяти часов в 5 % HN03 готовили срезы на замораживающем микротоме, три минуты окрашивали гематоксилином и помещали в глицерин для сохранения материала. В процессе обработки данных определяли наружный диаметр среза и средние диаметры всех линий остановки роста, т. е. линий, образованных во время зимовки. Таким образом, возраст определяется как количество пережитых зимовок [18-20].
Концентрацию 90Sr в пробах золы определяли радиохимическим методом, основанным на выщелачивании химических элементов 6-ти нормальной соляной кислотой с последующим осаждением оксалатов щелочно-земельных элементов и выделением из раствора 90Sr в виде карбонатов. Содержание 90Sr определяли по дочернему 90Y после их разделения безугольным аммиаком. Радиометрию полученных осадков производили на малофоновой установке УМФ-2000 при статистической ошибке счета 10-15 %.
Концентрацию 134,137Cs определяли с помощью многоканальных у-анализаторов фирмы «Canberra-Packard» и «ORTEC» при ошибке измерений не более 10-20 %. Для повышения эффективности просчета золу лягушек объединяли по принципу пола и длины тела. В процессе анализа проб 134Cs был обнаружен только в двух особях амфибий из ПЛК и р. Тагил, содержащих аномально высокое для данных популяций количество 137Cs. В остальных пробах 134Cs отсутствовал.
результаты исследований и обсуждение
На рис. 1 представлены результаты индивидуальных измерений концентраций 90Sr и 137Cs в лягушках, обитающих в ПЛК и р. Тагил. Показано, что концентрация 90Sr в животных из ПЛК варьирует от 2 до 25 Бк/кг при среднем значении 10±1 Бк/кг, а в р. Тагил - от 1 до 13 Бк/кг при среднем значении 6±1 Бк/кг в расчете на сухую массу. Таким образом, в обоих местообитаниях различие между минимальными и максимальными значениями концентраций исследованных радионуклидов в разных особях амфибий составило более чем 10 раз. При этом средние уровни концентраций 90Sr в популяции животных из ПЛК были выше, чем в р. Тагил.
Содержание 137Cs в популяции лягушек в р. Тагил оказалось неожиданно более высоким, чем в ПЛК. В частности, если в ПЛК концентрация радионуклида в амфибиях варьировала от 8 до 26 Бк/кг при среднем значении 18 ± 2 Бк/кг, то в р. Тагил - от 11 до 100 Бк/кг при среднем значении 48 ± 10 Бк/кг.
Кроме указанных выше данных, в каждой из популяций обнаружено по одной особи амфибий, которые не были представлены на рис. 1 в связи с
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
25
Концентрация, Бк/кг сухой массы
20-
15-
10-
5 —
90 Эг
•
•
• •в •
% с • • с? * в в 8 о
• о £ ® • •
ПЛК
р Тагил
100-
Ко н центрация, Бк/кг сухой массы
80-
60 4
40 -
20-
Сэ
о
«Н
ПЛК
р. Тагил
Рис. 1. Концентрации 90Бг и 137Cs в озерных лягушках ПЛК и р. Тагил (точками обозначены результаты индивидуальных измерений; справа от них - средние значения и средняя квадратическая ошибка).
тем, что по уровню содержания 137С8 они на несколько порядков величин превышали самые высокие показатели. В частности, в ПЛК лягушка содержала 45 000, а из р. Тагил - 53 000 Бк/кг 137С8. Следует заметить, что подобный результат получен в работе [9], где одна лягушка (Buergeria bergeri), обитающая в лесу в 20-километровой зоне Фукусимской АЭС после аварии 2011 г., имела особенно высокое содержание цезия (160 000 Бк/кг сырого веса) по сравнению со средними значениями в других лягушках.
Данные, представленные на рис. 1, подвергнуты статистической обработке с помощью компьютерной программы БТЛТКТТСЛ по критерию Стьюдента. Подтверждено, что лягушки из популяции ПЛК накапливают 90Бг достоверно больше, чем аналогичные животные из р. Тагил (р = 0,004). В то же время 137С8 накапливается лягушками в ПЛК достоверно меньше, чем в р. Тагил (а = 0,00067).
Исследование содержания 90Бг и 137С8 в озерных лягушках разного пола из популяции ПЛК не выявило различий в накоплении радионуклидов мужскими и женскими особями (рис. 2). Для популяции лягушек р. Тагил аналогичные данные получены по 90Бг, для сравнительной оценки 137С8 в этом случае недостаточно данных.
Установлено, что в популяции взрослых лягушек ПЛК отсутствует достоверная корреляционная связь между концентрацией 90Бг в организме и
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
Концентрация, Бк/кг сухой массы Б
Б
1 2 р. Тагил
Промливневый канал р. Тагил
рис. 2. Сравнительное накопление 90Бг (А) и 137Cs (Б) мужскими (1) и женскими (2) особями озерных лягушек в ПЛК и р. Тагил.
возрастом амфибий от 1 до 4 лет (коэффициент корреляции - 0,043). В то же время отмечена тенденция к снижению накопления этого радионуклида лягушками с увеличением сухой массы тела (коэффициент корреляции -0,314), что, возможно, связано со снижением интенсивности ассимиляционных процессов по мере старения организма.
На примере ПЛК, в котором зарегистрировано большее разнообразие гидробионтов по сравнению с р. Тагил, изучены уровни накопления исследуемых радионуклидов лягушками разных возрастных категорий (взрослые лягушки, сеголетки, головастики) по сравнению с другими представителями водной экосистемы канала (планктон, рыбы, растения, грунт). Как следует из рис. 3, оба радионуклида накапливаются в наибольшей степени планктоном (90Бг - 44±2 Бк/кг, 137С8 - 3430±180 Бк/кг сухой массы), в наименьшей - представителями ихтиофауны (90Бг - 0,83-1,7 Бк/кг, 137С8 - 5-17 Бк/кг сухой массы). Среди амфибий сеголетки и головастики накапливают оба радионуклида больше, чем взрослые лягушки, что, вероятно, связано с большим вкладом планктона в пищевой рацион молодых особей амфибий по сравнению с взрослыми лягушками.
Что касается р. Тагил, то в месте отбора проб концентрация 90Бг в прикрепленных водных растениях (элодея, уруть, роголистник) оказалась примерно в 2-4 раза, а 137С8 - на 2 порядка величин ниже, чем в ПЛК. На основании этого можно считать экосистему р. Тагил ниже плотины радио-экологически более чистой, чем ПЛК, куда поступают слаборадиоактивные
Рис. 3. Уровни накопления 90Бг и 137Сз в различных компонентах экосистемы ПЛК: 1 - лягушки; 2 - сеголетки; 3 - головастики; 4 - мальки рыб; 5 - карась; 6 - лещ; 7 - рдест гребенчатый; 8 - нитчатая водоросль; 9 - планктон;
10 - грунт.
сбросы АЭС. Относительно более высокое содержание 137Cs в лягушках р. Тагил заставляет предположить, что они накопили данный радионуклид в другом месте. Это подтверждает тот факт, что некоторые амфибии содержали особенно высокие концентрации радионуклида.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведены исследования роли озерной лягушки (Pelophylax ridibundus Pall.) как индикатора антропогенного загрязнения в накоплении радионуклидов 90Sr и 134,137Cs в районах размещения Белоярского и Верхнетагильского водохранилищ на Урале.
Оценены уровни накопления радионуклидов озерной лягушкой по сравнению с другими представителями водной экосистемы. В результате исследования установлено, что взрослые лягушки из популяции промлив-невого канала накапливают 90Sr (10 ± 1) достоверно больше, чем животные из р. Тагил (6 ± 1 Бк/кг сухой массы). В то же время содержание 137Cs в животных из промливневого канала (18 ± 2) оказалось достоверно ниже, чем в р. Тагил (48 ± 10 Бк/кг сухой массы). Установлено отсутствие различий в накоплении радионуклидов взрослыми амфибиями в зависимости от пола и возраста. На примере промливневого канала показано, что накопление 90Sr снижается в ряду: планктон > лягушки, растения, грунт > ихтиофауна, а 137Cs - планктон > растения > лягушки, грунт > ихтиофауна. В обоих местообитаниях озерных лягушек обнаружено по одной особи, содержащей
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
повышенные концентрации 137Cs (промливневой канал - 45000, р. Тагил -53000) и 134Cs (441 и 320 Бк/кг сухой массы, соответственно). Так как появление 134Cs в объектах окружающей среды связано с работой предприятий ядерно-топливного цикла, то озерные лягушки тагильской популяции могут накапливать данный радионуклид только на загрязненной 134Cs территории и переносить его за пределы территории, которая ограничивается ареалом распространения миграционных путей данного вида амфибий. В случае промливневого канала это можно объяснить мобильностью данной особи на территории санитарно-защитной зоны Белоярской АЭС и посещением относительно более «грязных» мест, а в р. Тагил - наличием в данном регионе неидентифицированного источника радиоактивного загрязнения.
список литературы
1. Топоркова Л.Я., Боголюбова Т.В., Хафизова Р.Т. К экологии озерной лягушки, индуцированной в водоемы горно-таежной зоны Среднего Урала // Фауна Урала и Европейского Севера. Свердловск: Изд-во Урал. гос. ун-та, 1979. С. 108-115.
2. Иванова Н.Л. Особенности экологии озерной лягушки (Rana ridibunda Pall.), ин-тродуцированной в водоемы-охладители // Экология. 1995. № 6. С. 473-476.
3. Иванова Н.Л. Озерная лягушка (Rana ridibunda Pall.) в водоемах-охладителях на Среднем Урале // Экология. 2002. № 2. С. 137-141.
4. Вершинин В.Л., Иванова Н.Л. Специфика трофических связей вида-вселенца (Rana ridibunda Pallas, 1771) в зависимости от условий обитаний // Поволж. экол. журн., 2006. № 3. С. 12-15.
5. Иванова Н.Л., Жигальский О.А. Демографические особенности популяций озерной лягушки (Rana ridibunda Pall.), интродуцированной в водоемы Среднего Урала // Экология. 2011. № 5. С. 381-369.
6. Мисюра А.Н., Тарасенко С.Н., Булахов В.Л., Бобылев Ю.П., Винниченко А.Н., Варенко Н.И., Орленко А.Н. Способ очистки воды от тяжелых металлов // Авт. свид-во № 1229185. Опубл. в бюл. С02Г3/32. 1986. 3 с.
7. Мисюра А.Н. Экология фонового вида амфибий центрального степного Приднепровья в условиях промышленного загрязнения водоемов: автореф. дис.... канд. биол. наук. М., 1989. 22 с.
8. Вершинин В.А. Амфибии и рептилии Урала. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 170 с.
9. Matsushima N., Ihara S., Takase M., Horiguchi T. Assessment of radiocesium contamination in frogs 18 months after the Fukushima Daiichi nuclear disaster // Sci. reports. 2015. Vol. 5. P. 1-6.
10. Stark K., Avila R., Wallberg P. Estimation of radiation doses from 137Cs to frogs in a wetland ecosystem // J. of Environmental Radioactivity. 2004. Vol. 75. P. 1-14.
11. Stark K. Risk from radionuclides: a frog's perspective. Accumulation of 137Cs in a riparian wetland, radiation doses, and effects on frogs and toads afterlow-dose rate exposure. Stockholm, Department of Systems Ecology Stockholm University. 2006. 34 p.
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
12. Чеботина М.Я., Трапезников А.В., Трапезникова В.Н., Куликов Н.В. Радиоэкологические исследования Белоярского водохранилища. Свердловск: УрО АН СССР, 1992. 77 с.
13. Чеботина М.Я., Николин О.А. Радиоэкологические исследования трития в Уральском регионе. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 90 с.
14. Трапезников А.В., Чеботина М.Я., Трапезникова В.Н., Гусева В.П., Николин О.А. Влияние АЭС на радиоэкологическое состояние водоема-охладителя. Екатеринбург: АкадемНаука, 2008. 398 с.
15. Трапезников А.В., Трапезникова В.Н. Пресноводная радиоэкология. Екатеринбург: АкадемНаука, 2012. 544 с.
16. Chebotina М.Ya., Guseva V.P., Polyakov E.V. Zooplankton of the cooling reservoir of the Beloyarskaya atomic power station: species characteristics and accumulative ability. Ch. 5 / In «Zooplankton: species diversity, distribution and seasonal dynamics», Р. 127-148 / Ed. G. Kehayias. Published by Nova Science Publishers, Inc. New York, 2014. 252 p.
17. Чеботина М.Я., Гусева В.П., Трапезников А.В. Планктон и его роль в миграции радионуклидов в водоеме-охладителе АЭС. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 170 с.
18. Клейненберг С.Е., Смирина Э.М. Метод определения возраста у амфибий // Зоолог. журн. 1969. Т. 48. С. 1090-1094.
19. Смирина Э.М. Годовые слои в костях травяной лягушки (Rana temporaria) // Зоолог. журн. 1972. Т. 51. Вып. 10. С. 1529-1534.
20. Castanet J., Smirina E.M. Introduction to the skeletochronological method in amphibiens and reptiles // Ann. Sci. Nat. Zool. 1990. Vol. 11. P. 191-196.
сведения об авторах:
Чеботина Маргарита Яковлевна, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук», Россия, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202; e-mail: [email protected]
Гусева Валентина Петровна, канд. биол. наук, научный сотрудник, ФГБУН «Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук», Россия, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202; e-mail: Guseva@ipae. uran.ru
Ищенко Владимир Георгиевич, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук», Россия, 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202; e-mail: zoovginnv@ pm.convex.ru (pm.convex.ru)
Берзин Дмитрий Леонидович, аспирант, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 21; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 1, 2016 г.
