CC BY
185
УДК 577.4: 546.79 : 551.48 ББК 28.081.28 : 24.13 : 26.222.6
Каблова Ксения Владимировна
аспирант
кафедра химии и методики преподавания химии Челябинский государственный педагогический университет
г. Челябинск Левина Серафима Георгиевна кандидат химических наук, доктор биологических наук, профессор
кафедра химии и методики преподавания химии Челябинский государственный педагогический университет
г. Челябинск Kablova Kseniya Vladimirovna post - graduate
Department of Chemistry and methods of teaching chemistry Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk Levina Serafima Georgievna Candidate of Science,
Doctor of Biology,
Professor
Department of Chemistry and methods of teaching chemistry Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk [email protected]
Накопление и распределение долгоживущих радионуклидов 90Sr, 137Cs и органического вещества в почвенном компоненте экосистемы озера Малые Кирпичики
Accumulation and distribution of strontium-90 and cesium-137 long-lived radionuclides content and organic substances in the soil component of Malye Kir-
pichiky lake drainage basin
Исследование посвящено анализу процессов накопления и распределения долгоживущих радионуклидов стронция - 90 и цезия - 137 в почве суперак-вального и элювиального компонентов водосбора экосистемы замедленного водообмена Малые Кирпичики. Показаны особенности перераспределения химических поллютантов в зависимости от содержания органического вещества почвы.
Research is devoted the analysis of processes of accumulation and distribution of long-living radioactive nuclides of strontium - 90 and cesium - 137 in soil supera-qual and eluvial components of a drainage area of an ecosystem of the slowed down water exchange Malye Kirpichiky. Features of redistribution chemical поллютантов depending on the maintenance of organic substance of soil are shown.
Ключевые слова: долгоживущие радионуклиды, супераквальный, органическое вещество, поллютанты, почвенный компонент, экосистема озера.
Key words: long-living radioactive nuclides, superaqual, eluvial ,organic substance, pollutants, soil component, lake drainage basin.
Радиоэкологическая обстановка на Урале неоднородна и в ряде районов весьма неблагоприятна. Это неблагополучие вызвано как естественной геологической средой, так и аварийными ситуациями и многолетней деятельностью предприятия Минатома РФ ПО "Маяк", созданного на базе промышленного комплекса по получению плутония и переработке делящихся материалов [8].
В результате радиационных инцидентов на ПО «Маяк» в районе расположения предприятия сформировалась техногенная радионуклидная геохимическая аномалия. Радиоактивному загрязнению подверглись многочисленные озера, расположенные в зоне воздействия предприятия [1].
Рис. 1. Восточно-Уральский радиоактивный след По прошествии 55 лет после аварии и формирования ВУРСа встает вопрос о возврате в хозяйственное использование загрязненных территорий, включая
озерные экосистемы [2]. В связи с этим возникают задачи изучения функционирования этих водоемов с целью выяснения оптимальных условий их эксплуатации. Общие особенности распределения удельной активности радионуклидов между различными компонентами водоемов (вода, почва, донные отложения, биомасса), позволяют более правильно понять особенности функционирования таких водоемов в качестве дезактиваторов.
Почвы, как один из компонентов экосистемы, контролируют накопление и массоперенос поллютантов по всем основным компонентам и могут являться источниками вторичного загрязнения водоемов за счет перераспределения и выноса радионуклидов из первоначального очага загрязнения. Следует отметить, что вопросы вертикальной миграции радионуклидов имеют не только практическое, но и теоретическое значение с точки зрения познания особенностей миграции, круговорота химических элементов в биосфере. В результате действия атмосферных осадков на земную поверхность происходит ее денудация, снос веществ. Этот снос осуществляется в растворенной форме и в форме кластического материала. Это в равной мере относится как к стабильным, так и к радиоактивным элементам [6].
Важнейшим показателем, определяющим миграционную способность радионуклидов, является содержание в почвенном компоненте органического вещества.
Органическое вещество почвы способно образовывать сложные комплексные соединения с поллютантами, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Гумус объединяет огромный комплекс или группу химических веществ, в состав которых входит как органическая часть (гуминовые и фульвокислоты), так и неорганическая составляющая - химические элементы неорганического происхождения [6].
Органическая часть гумуса - гуминовые кислоты, обладают высокой
сорбционной емкостью по отношению к рудным элементам, а также изотопным
носителям долгоживущих радионуклидов: 1 г гуминовых кислот сорбирует
30 мг цезия, 18 мг стронция. В связи с этим гуминовые кислоты выступают как
246
эффективный геохимический барьер, ограничивающий подвижность ионов радионуклидов [5].
Целью исследования является радиоэкологическое исследование особенностей накопления и распределения долгоживущих радионуклидов стронция - 90, цезия - 137 и органического вещества в почвенных компонентах водосбора озера Малые Кирпичики.
г» ^
Задачей исследования является определение удельной активности стронция - 90 и цезия - 137, а также определение содержания органического вещества в почвах элювиального и супераквального компонентов озера Малые Кирпичики.
Объектом исследования являются почвы водосборной территории озера Малые Кирпичики, используемое местным населением в хозяйственнобытовых целях. Водоем расположен на юго-востоке ВУРСа, на расстоянии 19 км от эпицентра взрыва. Озеро слабопроточное, является притоком р. Карабол-ка (Иртышский бассейн) у села Кирпичики. Отселение населенных пунктов с прибрежной зоны озера не производилось.
Материалы и методы исследования
Выбор точки отбора проводился с учетом влияния грунтовых вод на приозерную территорию. Разрезы закладывались в нескольких метрах от урезов воды, в основном на приозерных террасах.
Определение места закладки почвенных разрезов основывалось на исследовании особенностей ландшафтных катен и вычленении в них элювиальных и супераквальных элементов. Во всех случаях проводился анализ времени последнего антропогенного воздействия на почвы (по целостности почвенных горизонтов) и выбирались точки с наибольшей вероятностью значительной длительности периода покоя [2,3,4].
Таблица 1
Отбор проб почв супераквальной позиции водосборной территории озера
Малые Кирпичики
Маркировка Г оризонт Глубин, (см) Площадь отбора, (см * см) Описание
МК88/1 А0 0-1 35*50 Лесная подстилка, серая
МК 88/2 А1 1-4 35*50 Легкий суглинок, дождевые черви, черно-серый
МК 88/3 4-7 35*50
МК 88/4 А2 7-9,5 35*50 Средний суглинок, серочерный
МК88/5 9,5-12 35*50
МК 88/6 В1 12-17 35*50 Средний суглинок, черносерый
МК88/7 17-22 35*50
МК 88/8 22-27 35*50
МК 88/9 В2 27-37 15*50 т \~г Тяжелый суглинок, светлокоричневый
МК 88/10 37-48 15*50
МК 88/11 ВС 48-59 15*50 т \~г Тяжелый суглинок, серокоричневый
В некоторых случаях подпорные грунтовые воды сравнительно быстро заливали нижнюю часть разреза, что подтверждает его статус как супераквально-го(50 метров от берега, серая лесная почва).
Элювиальные почвы (суглинок) отбирались на расстоянии 350 метров от берега.
Таблица 2
Отбор проб почв элювиальной позиции водосборной территории озера Ма-
лые Кирпичики
Маркировка Г оризонт Глубин, см Описание
МК 8Е/1 А0 + А1 0-6 (0-4 - А0 + 4-6 А1) Степной войлок + легкий суглинок, темно-коричневый
МК 8Е/2 6-10 Легкий суглинок, черно-коричневый
МК 8Е/3 А1 10-12
МК 8Е/4 12-16
МК 8Е/5 А2 16-20 Средний суглинок, темнокоричневый
МК 8Е/6 20-25
МК 8Е/7 25-30,5
МК 8Е/8 В1 30,5-34,5 Средний суглинок, коричнево-серый
МК 8Е/9 В2 34,5-45,5 Средний суглинок, серо-коричневый
МК 8Е/10 ВС 45,5-60 гр « ч-/ Тяжелый суглинок, ярко-коричневый
Обработка и подготовка к соответствующему анализу проб почвы проводилась по стандартным общепринятым методикам [9]. Почву из почвенных разрезов вынимали слоями по 1 и 5 см с учетом генетических горизонтов и площади отбора проб до глубины 30 - 65 см, высушивали, растирали и просеивали через сито с ячейками в 1 мм.
Пробоподготовка почвенных проб (высушивание, измельчение, просеивание) и определение содержания гумуса (органический углерод) по методу Тюрина в модификации Плотниковой [9] проводились на базе лаборатории физико-химических методов исследований кафедры химии и МПХ ЧГПУ гравиметрическим и титриметрическим методом. Фракционный состав гуминовых веществ (ГВ) (содержание гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК)) определялся из щелочной вытяжки с последующим осаждением гуминовых кислот серной кислотой [5].
Относительная погрешность гравиметрического метода не превышает 0,1 %, титриметрического метода 0,3 % [11].
90 137
Удельную активность 8 г и Сб в почвенных образцах исследовали гамма - спектрометрическим методом на малофоновой в - метрической установке типа УМФ - 2000 и пламенно - фотометрическим контролем выхода
90 137
носителя. Погрешность измерения 8г и Сб составляет 20 % при активно-
сти <0,7 Бк/г и 10 % при больших активностях. Диапазон величины измере-
5 3
ния 0,02 - 1*10 Бк/дм [4]. Радиохимический анализ проводился в лаборатории Уральского научно-практического центра радиационной медицины, г. Челябинск.
Результаты и их обсуждение
Для элювиальных элементов ландшафтов водосборных территорий исследованного озера характерен непромывной или периодически промывной
90 137
режим, при котором затруднен вынос веществ (в том числе 8г и Сб) [3].
Супераквальный компонент почв характеризуется сочетанием промывного и выпотного режимов, а так же неглубоким положением грунтовых вод. Вышеперечисленные особенности супераквальных почв обуславливают особенности миграционных процессов химических поллютантов. Повышенная продуктивность биоценозов и процессы гумусообразования находятся в прямой зависимости от высокого уровня увлажненности почв. Это приводит к повышению содержания органического вещества верхних горизонтов 0-12 см (Табл. 3), связывающего поллютанты на почвенной матрице и обеспечивающего их накопление в почве [2,4].
Таблица 3
Содержание органического вещества (%) и его фракционный состав в супераквальном компоненте почв водосбора
Малые Кирпичики
Разрез (88) супераквальный Глубина, см 0-1 1-4 4-7 7-9,5 9,5-12 12-17 17-22 22-27 27- 37 37- 48 48-59
С общ. 12,3± 0,036 10,1± 0,036 5,2± 0,036 5,8=1= 0,036 8,8=1= 0,073 6,5± 0,036 7,6± 0,073 2,6± 0,063 3,0± 0,036 2,5± 0,036 2,3± 0,036
Сорг. (ГВ) щел. вытяжки (%) к почве 3,5=1= 0,037 3,2± 0,037 3,0± 0,037 1,4=1= 0,037 1,0± 0,037 0,7± 0,037 0,3± 0,073 0,3± 0,037 0,2± 0,037 0,2± 0,037 0,1± 0,037
Сгк (%) к почве 0,6± 0,0037 0,4± 0,0024 0,3± 0,0013 0,2± 0,0072 0,1± 0,0010 0,1± 0,0074 0,1± 0,0074 0,1± 0,0074 0,1± 0,0074 0,1± 0,0010 0,09± 0,0066
Сфк(%) к почве 3,0± 0,037 2,8± 0,037 2,7± 0,037 1,2=ь 0,037 0,9± 0,0037 0,6± 0,037 0,2± 0,0072 0,2± 0,0072 0,1± 0,0011 0,1± 0,0012 0,01± 0,0002
ГК/ФК 0,2 0,14 0,11 0,16 0,11 0,16 0,5 0,5 1 1 9
Таблица 4
Содержание органического вещества (%) и его фракционный состав в элювиальном компоненте почв водосбора
Малые Кирпичики
Разрез (8Е) элювиальный Глубина, см 0-6 6-11 11- 12 12-16 16-20 20-25 25 - 30,5 30,5 - 34 34-45 45-60
С общ. 8,72± 0,0073 8,65± 0,0167 8,86± 0,0511 8,88± 0,0275 8,90± 0,0365 9,03± 0,0109 8,87± 0,0620 8,65± 0,0182 8,58± 0,0263 8,44± 0,0456
Сорг. (ГВ) щел.вытяжки (%) к почве 4,38± 0,0623 4,86± 0,0511 3,78± 0,0292 3,72± 0,0406 3,84± 0,0456 4,32± 0,0406 3,84± 0,0456 3,3± 0,0365 1,04± 0,3398 1,04± 0,3398
Сгк (%) к почве 3,0± 0,0365 3,0± 0,0365 3,0± 0,0365 3,0± 0,0365 3,24± 0,0456 3,24± 0,0456 3,36± 0,0292 2,4± 0,036 1,02± 0,037 0,4± 0,0072
Сфк(%) к почве 1,3 8± 0,037 1,86± 0,037 0,78± 0,0037 0,72± 0,0037 0,6± 0,0037 1,08=1= 0,037 0,48± 0,0072 0,9± 0,0072 0,02± 0,0066 0,64± 0,0072
ГК/ФК 2,2 1,6 3,8 4,2 5,4 3 7 2,6 51 0,62
Миграция радионуклидов по профилю почвы происходит благодаря перемещению почвенных частиц, в состав которых они входят, за счет движения почвенной влаги, содержащие растворимые и коллоидные их формы, а так же процессов сорбции и десорбции. Сорбция радионуклидов осуществляется за счет двух процессов: быстрой - обменной и медленной - необменной [3].
Рис.2. Изменение удельной активности радионуклидов 908г и 137€8 в элювиальных почвах озера Малые Кирпичики
Согласно лиотропному ряду, отображающему селективность ионного обмена: Ва2+ > РЪ2+ > 8г2+ > Са2+ > М2+ > Сё2+ > Си2+ > Со2+ > 2п2+ > М§2+ > Л§+ > Сб+ > ЯЪ+ > К+ > КИ4+ > №+ > Ь1+, цезий обладает способностью мигрировать на всю глубину почвенного разреза в отличии от стронция, который прочно связывается с органическим веществом почвы [10].
90 137
Относительно равномерное распределение 8г и Сб наблюдается в элювиальном разрезе на глубине 0 - 45 см (рис. 2), что связано с невысоким содержанием гуминовых кислот по всей глубине почвенного профиля (табл. 4).
Удельная активность радионуклидов в элювиальных почвах не превышает пре-
253
дельно - допустимой концентрации, однако на глубине 45 см наблюдается всплеск содержания 90 Бг, что может объясняться высоким содержанием фуль-
90 137
вокислот относительно фульвокислот (ПДК Бг и Сб для почв составляет 55,5 Бк/кг и 185 Бк/кг [13] соответственно).
Рис.3. Изменение удельной активности радионуклидов 908г и 137€8 в супер-аквальных почвах озера Малые Кирпичики
Содержание радионуклидов в супераквальном компоненте уменьшается по глубине почвенного профиля (рис.3). Анализ характера распределения пол-лютантов по профилю почвенного разреза супераквальной позиции ландшафта
137
водосбора озера показал, что пик максимального содержания Сб приходится на гумусовые горизонты почв 0-10 см. Так как удельная активность цезия и стронция в почвах невелика, то они, в основном, аккумулируются в верхних горизонтах. Однако, наблюдается увеличение содержания удельной активности стронция - 90 на глубине 30 - 50 см, что, вероятно, связано с формами нахождения радионуклидов [2,4], а так же с высоким содержанием гуминовых кислот на соответствующей глубине.
Почвы могут аккумулировать несколько типов физико-химических форм нахождения радионуклидов: водорастворимые, обменные, карбонатные, оксиды и гидроксиды железа, марганца, органические, необменные.
Для супераквального компонента в большей степени характерно нахождение стронция - 90 в обменной форме, цезия - 137 в составе нерастворимого остатка и в органической фракции [2].
Таким образом:
1. Общее содержание органического вещества в исследуемых почвах, а также количество гумусовых веществ, растворимых в щелочах, уменьшается по глубине почвенного профиля.
2. Почвы супераквальных позиций водосбора озера М. Кирпичики относятся к фульватному типу с явным преобладанием фульвокислот в органическом компоненте почвы.
3. Почвы элювиальных позиций озера М. Кирпичики относятся к гуматному типу с преобладанием гуминовых кислот в органическом компоненте почвы.
4. При возрастании содержания фракции фульвокислот в почве возрастает
90
содержание радионуклида эг .
137
5. Удельная активность Сб сосредоточена в верхних гумусовых горизонтах, при этом соотносится с содержанием гуминовых кислот.
6. Удельная активность радионуклидов стронция - 90 и цезия - 137 в супер-аквальных и элювиальных почвах не превышает ПДК, за исключением почвенного горизонта элювиальных почв, где наблюдается увеличение
90
содержания Бг.
7. Почвы водосборных территорий озера Малые Кирпичики удовлетворяют предельно допустимой концентрации для стронция - 90 и цезия - 137 в почвах и могут быть возвращены в хозяйственное использование.
Заключение
Изучение радиоэкологической ситуации на исследуемом озере Малые Кирпичики проводилось через 55 лет после аварии и загрязнения. Основную значимость в озерных экосистемах ВУРСа приобрели долгоживущие радионук-
90 137
лиды Бг и Сб. К настоящему времени первоначальная картина загрязнения изменилась в результате естественного распада радионуклидов, перераспределения их в компонентах экосистемы, в частности в почвенном компоненте. Почвы контролируют накопление и массоперенос поллютантов по всем основным компонентам и могут являться источниками вторичного загрязнения водоемов за счет перераспределения и выноса радионуклидов из первоначального очага загрязнения.
Результаты измерений удельной активности радионуклидов 90Бг ,137Сб и химический анализ общего органического углерода почвы позволили выявить взаимосвязь накопления и распределения долгоживущих радионуклидов стронция - 90, цезия - 137 и фракций органического вещества.
Химический анализ показал, что особенности накопления и распределения радионуклидов зависят как от фракционного состава органического вещества, так и от гидрологического режима почвы, определяющего тип почвы (суперак-вальный, элювиальный).
Радиохимические исследования супераквальной и элювиальной почв экосистемы Малые Кирпичики показывает, что содержание стронция - 90 и цезия -137 удовлетворяет предельно допустимой концентрации, поэтому исследованные почвы могут быть возвращены в использование населением.
Некоторое превышение ПДК содержания удельной активности 90Бг в элювиальной почве на глубине до 4 см, свидетельствует о том, что необходимо проводить дальнейшие мониторинговые исследования.
Библиографический список
1. Аклеев, А.В. Экологические и медицинские последствия радиационной аварии 1957 г. на ПО «Маяк» / под ред. А.В. Аклеева, М.Ф. Киселева. - М.: Вторая типография ФУ «Медбиоэкстрем» при Минздраве РФ, 2001. - 294 с.
2. Трапезников, А.В. Радиоэкология пресноводных экосистем / А.В. Трапезников, В.Н. Трапезникова - Екатеринбург: Изд-во УрГСХА, 2006. - 390 с.
3. Дерягин, В.В., Удачин, В.Н. и др. Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: Сборник научных трудов. Выпуск 12. - Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2009. - 426 с.
4. Сутягин, А.А. Распределение долгоживущих радионуклидов и микроэлементов в супераквальных позициях почв водосборных территорий озер Б. и М. Игиш и Шаблиш (средняя и дальняя зоны ВУРСа) / А.А. Сутягин, С.Г. Левина, В.В. Дерягин // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (20 - 22 мая 2010) / под ред. В.В. Дерягина. - Челябинск: АБРИС, 2010. - С. 145 - 148.
5. Орлов, Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, Н.И. Суханова М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. - 561с.
6. Смагин, А. И. Экология водоемов зоны техногенной радиационной аномалии на Южном Урале.: Пермь,2008.- 51 с.
7. Восточно-Уральский радиоактивный след (сборник статей, посвященных последствиям аварии 1957 года на ПО «Маяк»)/ под редакцией А.В. Аклеева и М.Ф. Киселева - Челябинск, 2012. - 352 с.
8. Практикум по агрохимии: Учеб.пособие. - 2-е изд.перераб. и доп./ под ред. Академика РАСХН В.Г. Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 2001.-689 с.
9. Environmental Soil Chemistry: Second Edition/ Donald L. Sparks. - Elseveir Science /Academic Press.-2009. - Р.510.
10. Основы аналитической химии: в 2 книгах: Книга 2. Методы химического анализа./ под ред. Золотова Ю.А. - М.: Высшая школа, 2004. -503 с.
11. Скипин, Л.Н. Накопление радионуклидов в объектах природной среды Ханты-Мансийского автономного округа / JI.H. Скипин, Е.В. Захарова, A.A. Ваймер, И.К. Судакова // Вестник Тюменского государственного университета. Тюмень: ТГУ. - № 5. - 2006. - С. 46-54.
Bibliography
1. Acleev, A.V. Environmental and health effects of radiation accident in 1957 at the "Mayak"/ ed. A.V. Acleev, M.F. Kiseleva. - M.: The second printing FU "Medbioekstrem" at Ministry of Health of the Russian Federation, 2001. - P. 294.
2. Trapeznikov, A.V. Radioekologiya freshwater ecosystems / A.V. Trapez-nikov, V.N. Trapeznikova - Ekaterinburg: Publishing House UrGSKHA, 2006. - P. 390.
3. Derjaguin, V.V., Udachin, V.N., etc. Problems of Radioecology and frontier disciplines: Proceedings. Issue 12. - Ekaterinburg: Publishing House of the Ural Mountains. University Press, 2009. - P. 426.
4. Sutyagin, A.A. The distribution of radionuclides and trace elements in soils su-peraqual positions catchment areas of lakes B. and M. Igish and Shablish (middle and distal zones of VURS) / A.A. Sutyagin, S.G. Levina, V.V. Deriagin / / Problems of the geography of the Urals and adjacent areas: Proceedings of the All-Russian scientific-practical conference with international participation (20 -22 May 2010) / ed. V.V. Deryagina. - Chelyabinsk ABRIS, 2010. - P. 145 -148.
5. Orlov, D.S. Soil Chemistry / D.S. Orlov, L.K. Sadovnikov, N.I. Sukhanova M: Mosk. University Press, 2005. - P. 561.
6. Smaguine, A.I. Ecology of the man-made ponds radiation anomalies in the southern Urals.: Perm, 2008. - P. 51.
7. East Ural Radioactive Trace (a collection of articles on the consequences of the accident in 1957 at the "Mayak") / edited by A.V. Akleeva and M.F. Kiseleva -Chelyabinsk, 2012. - P. 352.
8. Workshop on Agricultural Chemistry: Textbooks. - 2nd izd.proc. and add. / ed. Academician of the RAAS V.G. Mineeva. - M: Moscow State University Press, 2001.- P. 689.
9. Environmental Soil Chemistry: Second Edition/ Donald L. Sparks. - Elseveir Science /Academic Press.-2009. - P.510.
10. Fundamentals of Analytical Chemistry: in 2 books: Book 2. Methods for chemical analysis. / ed. Zolotov Y. A. - M.: Higher School, 2004. - P. 503.
11. Skipin, L.N. The accumulation of radionuclides in the environment of Khanty-Mansi Autonomous District / L.N. Skipin, E.V. Zakharova, A.A. Weimer, I.K. Sudakova / / Bulletin of the Tyumen State University. Tyumen: TSU. - № 5. -2006. - P. 46-54.
