Особенности накопления урана двустворчатыми моллюсками Каспийского моря Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.464.679.1:594.1

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ УРАНА ДВУСТВОРЧАТЫМИ МОЛЛЮСКАМИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

© 2012 Хлопкова М.В., Асварова Т.А.

Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН

В статье приведены материалы о накоплении урана в раковинах современных и вымерших моллюсков дагестанского прибрежья Среднего и Северного Каспия. При жизни моллюсков на процесс накопления урана влияют особенности кристаллической решетки арагонитараковин и pH осадков. Основным источникомурана в море являются эндогенные гидротермалъныерастворы.

The authors of the article give the materials about the uranium accumulation in modern and extinct mollusks’ shells on Dagestan coast of the Middle and Northern Caspian Sea. During mollusks’ lifetime the uranium accumulation process is influenced by the peculiarities of the aragonite crystal lattice of shells and precipitation pH. The main uranium sources in the sea are endogenous hydrothermal solutions.

Ключевые слова: Каспий, накопление урана, двустворчатые моллюски Didacna.

Keywords: the Caspian Sea, uranium accumulation, Didacna bivalve mollusks.

В радиоэкологии имеется большой экспериментальный материал по накоплению организмами искусственных радиоизотопов, поступающих в воды бассейнов при выпадении радиоактивных осадков или из промышленных ядерных установок. Однако количество данных, характеризующих накопление

организмами природного урана, ограничено. Поэтому на современном этапе актуально не только систематизирование полученных ранее результатов, но также и попытки использования урана как важного радиоактивного индикатора, атомы которого мечены самой природой [2, 4, 5]. В последнее время исследователями обнаружен еще один источник техногенного радиоактивного заражения окружающей среды - это нефтегазодобыча, которая

сопровождается выносом естественных радиоизотопов вместе с углеводородной продукцией на дневную поверхность. Чем больше глубина перфорации при нефтегазодобыче и выше приуроченность

месторождения к глубинным разломам, тем выше общая минерализация и содержание радиоизотопов попутных вод. Большинство нефтяных

месторождений (в том числе в Северном Дагестане) приводят к радиоактивному загрязнению окружающей среды при добыче, сбросе попутных вод [1, 8].

В морских организмах концентрация урана выше, чем в морской воде, но ниже, чем во взвесях и донных осадках. После отмирания организмов уран концентрируется на разлагающемся органическом веществе, фосфатном детрите и в карбонатных раковинах моллюсков [2, 3, 4, 5].

Концентрация урана в раковинах современных моллюсков океана, по данным Г. Н. Батурина [2. С. 49], колеблется от 0,0Г10"4% до 0,58 • 10-4%, в среднем составляя 0,1Г10"4%. М. Татсумото [10. С. 29] находил и 2,6 -4* 10-4%. Концентрация урана в воде Каспийского моря (3-10)'10-6 г/л. В водах Каспия и его донных осадках содержание урана в 5-7 раз выше, чем в других морях.

Концентрация урана в раковинах древнекаспийских моллюсков

Азербайджана достигает в среднем 0,41 • 10-4% [9. С. 112].

Задачей нашего исследования было изучение закономерностей распределения урана в раковинах современных и древних моллюсков. Полученные данные позволят сопоставить накопление организмами урана в различные периоды геологического времени, на разных побережьях Каспия.

Материалы и методы исследования

Сбор живых особей моллюсков проводился по основным

гидробиологическим разрезам и в кутовой части Сулакского залива. Раковины вымерших моллюсков отбирались на разрезах - обнажениях по долинам рек: Манас-озень, Ачи-су,

Черкес-озень, Шура-озень, Рубас-чай, Сулак; на побережье Каспийского моря, в районе озер Турали. В работе использованы коллекции современных и хвалынских моллюсков Северного Каспия. Собрано 52 пробы, более 1500 раковин моллюсков. Содержание урана определялось радиохимическим методом, с помощью ионообменных колонок с анионитом ЭДЭ - 10П и последующим колориметрированием с арсеназо III на фотоэлектрическом колориметре КФК-2МП, л = 670 нм [7. С. 7-8]. Для определения карбонатов использовали кальциметр ТУ 25-11-1106-75. Анализ проведен в 3-6 повторностях.

Результаты и ихобсуждение

Среди бентосных организмов больше всего уран накапливают моллюски, имеющие арагонитовые раковины. Если в раковинах моллюсков сохранилась арагонитовая структура, то концентрация урана в ней, вероятно, отражает прижизненное накопление этого элемента. При диагенетических процессах во время захоронения раковин часть карбоната (при изменении pH) может переходить в кальцит - менее устойчивое соединение, из которого уран легко вымывается или происходит его избыточное накопление.

Раковины молодых особей до половой зрелости всегда содержат урана

в 1,2-2 раза больше, чем раковины взрослых моллюсков, как это видно из рисунка 1. Такая тенденция наблюдается как у современных, так и вымерших двустворок, вне зависимости от геологического возраста, фациальных условий залегания раковин и места обитания. У вида Didacna protracta protracta Среднего и Северного Каспия близкие значения накопления этого элемента. Из гистограммы видно, что накопление урана раковинами Didacna oblonga из нижнехвалынских отложений Чограя Северного Каспия у молодых моллюсков превышает почти в 3 раза, у взрослых - в 2,5-3,5 раза значения накопления этого радионуклида по сравнению с остальными подвидами. В хвалыни в Северном Каспии наблюдалось повышенное содержание урана, а закономерности накопления в онтогенезе такие же.

Как видно из рисунка 2, накопление урана в раковинах современных моллюсков дагестанского побережья Среднего Каспия в 2-4 раза больше, чем в Северном Каспии. В 2,3 раза изменяется концентрация накопления урана у подвидов одного вида Северного Каспия, отобранного из пробы на глубине 60 м.

□ 3 годэ ■ 7-9 лег

По оси абсцисс: виды моллюсков

1 - Didacna trigonoides, Средний Каспий, Супакский залив

2 - Didacna protracta protracta, Средний Каспий, район Дербента

3 - Didacna protracta protracta Северный Каспий

4 - Didacna protracta novocaspia Северный Каспий

5- Didacna protracta submedia Северный Каспий; 1-5 -современные моллюски.

6 - Didacna oblonga Северный Каспий, нижняя хвалынь, Чограй

По оси ординат: концентрация урана в раковинах, п-10- 4 %.

Рис. 1. Накопление урана в раковинах молодых и взрослыхмоллюсков

□ Средний Каспий ■ Северный Каспий

По оси абсцисс: виды моллюсков

1 - D. protracta novacaspia

2 - D. protracta submedia

3 -D. protracta protracta

По оси ординат: концентрация урана в раковинах, n-10- 4 %.

Рис. 2. Содержаниеурана враковинах современных моллюсков дагестанского побережья Среднего Каспия и Северного Каспия

Характер грунта, соотношение органических веществ, pH среды, сероводородное заражение и глубинные источники, с повышенной минерализацией, влияют на процесс накопления урана при жизни моллюсков и после их гибели.

Известно, что накопление

радионуклидов гидробионтами

происходит по двум основным механизмам: биологическому

(поглощение живыми организмами в результате жизнедеятельности) и физикохимическому (концентрирование на поверхности организмов (в частности, на погибших раковинах) в результате сорбции и соосаждения с макроэлементами) [2, 4, 5].

Попадая в морскую воду, уран поглощается моллюсками. После их гибели, при изменении pH может происходить заражение ураном из грунтовых растворов, на органическом слое раковин (периостракуме) происходит адсорбция соединений урана,

2+ т т4+

замещение катионов Са ионами И в раковинном арагоните и кальците.

Для определения меры способности живых моллюсков накапливать уран в раковинах вычислялся коэффициент биологического поглощения (КБП), определяемый как отношение

концентрации элемента в раковине к концентрации в воде. Коэффициенты биологического поглощения,

вычисленные для некоторых видов, показывают, что способность к накоплению урана в раковинах различна и колеблется в пределах от 10 до 78. Коэффициенты биологического

поглощения урана моллюсками океана, по Г. Н. Батурину [2. С. 32], колеблются от 3 до 190, в среднем 36. К. Ф. Оглоблин [6. С. 10] приводит еще более высокие средние коэффициенты накопления урана моллюсками: 33 для Балтийского моря, 120 для Черного моря, 55 для Каспийского моря, 24 для Японского моря и 130 для Индийского океана.

Параметром биогенной миграции урана является коэффициент

концентрации (Кк), определяемый как отношение концентрации элемента в раковине к концентрации в грунте. Для исследованных нами моллюсков Кк от

0,7 до 1,93.

Известно, что уран существует в воде в виде уранил-карбонатных комплексных анионов (И02(С03)2(Н20)2)-2 и (И02С03)3)-4 [2, 5, 6]. Повышенное

содержание урана в илах связано с непосредственной сорбцией комплексов ионов урана органическим веществом.

Наши исследования показали, что значение и/Сорг для современных моллюсков (7,1-45)-10-5, для древних (5,6 -159)-10-5%. К. Ф. Оглоблин [6. С. 12] определял И/Сорг. (15,4-18,5)-10-5 для современных моллюсков. Обычно чем больше органического вещества в илах, тем больше в нем содержится урана. Но для оптимального осаждения урана из среды обитания в придонной части должна существовать зона

сероводородного заражения. У относительно глубоководных

крассоидных и катиллоидных видов дидакн наблюдается повышенное

содержание урана (4,2-5,6)Т0-4%, что объясняется отчасти сероводородным заражением илисто-песчаных осадков в условиях пониженной аэрации. КБП урана при жизни современных моллюсков составляет 40-70; Кк урана у древних моллюсков тех же групп 1-1,93.

Для неглубоких хорошо аэрируемых участков бассейна (кутовая часть Сулакского залива) накопление урана в раковинах тригоноидных моллюсков не происходит даже при высоком содержании органических веществ, И (0,7-1,7)-10-4 %, КБП урана составляет 1223, Кк урана у древних тригоноидных дидакн составляет 0,7-1,3.

Каковы источники поступления природного урана в современный и древний Каспий? Можно ли объяснить относительно высокое содержание урана в раковинах некоторых акчагыльских, верхнебакинских и верхнехазарских моллюсков дагестанского побережья Среднего Каспия только сероводородным заражением осадков и повышенным содержанием органики?

По глубинным разломам на дне Каспийского моря (в наше время от современной Махачкалы к Туркменбаши и многочисленным разломам в Северном Каспии) выходят подземные воды с высокой минерализацией и содержанием естественных радионуклидов. Вероятно, моллюски, обитавшие вблизи таких разломов, накапливали в своей раковине повышенные концентрации урана.

Даже при отсутствии прямых проявлений вулканизма или

гидротермальной деятельности на дне бассейнов, в которых происходило интенсивное накопление

планктоногенного органического

вещества, фосфора, урана, высокая сейсмическая активность дна бассейнов в эти эпохи является несомненным свидетельством значительного влияния глубинных фактов. В этой связи большой интерес представляет изменение состава подземных вод при землетрясениях [5. С. 104].

В биогеохимических зонах и урановых провинциях уровень накопления урана в звеньях биогеохимических цепей будет

различным [4. С. 6]. При размыве

урановых провинций естественный И238 с терригенным стоком попадает в водоемы. У моллюска О1ёаопа паНуИт из долины реки Шура-озень нами обнаружено относительно повышенное содержание урана, что может быть связано с высокой концентрацией этого радионуклида в водах Каспия в период верхнехазарской трансгрессии еще при жизни моллюска или с pH условиями залегания осадков.

Таким образом, уран поступает в морскую воду древнего и современного Каспия (при бурении скважин) из глубинных источников с вулканогенными продуктами и гидротермальными растворами из разломов на дне Каспия, а также, в меньшей степени, с терригенным стоком.

Заключение

Результаты наших исследований показали, что в раковинах современных и древних моллюсков дагестанского прибрежья Каспия наблюдаются более высокие концентрации урана по сравнению с данными исследований, проведенных в 60-80-е годы прошлого столетия [2, 5, 6, 9, 10]. Выявлено, что в современных моллюсках Каспийского моря содержание урана в пределах (0,6-4,7)Т0-4%; в плейстоценовых -содержание И (1,4- 5,6) 10-4%; в

апшеронских и сарматских - И (1,2-1,5)Т0-4%; в акчагыльских моллюсках обнаружено повышенное содержание урана 7,2 - 9,3-10-4 %.

Повышенное накопление урана арагонитовыми раковинами каспийских дидакн, по сравнению с кальцитовыми раковинами других моллюсков, связано с тем, что этот радионуклид образует с арагонитом устойчивые соединения. Особенности кристаллической решетки арагонита раковин моллюсков являются основным биотическим фактором повышенного накопления урана. Установлены закономерности содержания урана в раковинах от возраста и биологических особенностей таксонов. В раковинах исследованных моллюсков до половозрелости отмечено повышенное содержание урана и снижение его в старости.

время является их поступление с подземными водами, гидротермальными растворами при бурении нефтяных скважин, проходящих вблизи

тектонических разломов. Состав глубинных вод значительно обогащается радионуклидами в период,

предшествующий сейсмической

активности.

Изучение накопления природных радиоактивных элементов в ископаемых организмах может служить дополнением к биостратиграфическому методу, позволяет реконструировать физикохимические условия среды обитания ранее живущих организмов.

По нашему мнению, основным абиотическим фактором накопления являются восстановительные условия среды, при которых уран из воды захватывается раковинами. Так, в раковинах нижнехвалынских

катиллоидных моллюсков Среднего Каспия содержание урана (2-2,5)-10-4%; в Северном Каспии в моллюсках того же возраста и группы содержание урана (0,9 - 8,6)Т0-4%, что, вероятно, обусловлено сероводородным заражением, при избытке органики и слабой аэрации.

Опираясь на исследования ряда ученых в последние годы [1, 8], мы предполагаем, что основным

источником радионуклидов в наше

Примечания

1. Ахмедов М. И., Абдуллаев М. Ш., Омардибиров О. М. Радиоэкологические проблемы при добыче углеводородного сырья и переработке попутных и геотермальных вод // Материалы научно-практ. конф. к 55-летию Института геологии ДНЦ РАН «Геология и полезные ископаемые Кавказа» Махачкала, 2011. С. 202-204. 2. Батурин Г. Н. Уран в современном морском осадконакоплении. М. : Атомиздат, 1975. 152 с. 3. Вернадский В. И. Живое вещество и биосфера. М. : Наука, 1994. 672 с. 4. Виноградов А. П., Ковальский В. В. Труды биогеохимической лаборатории Т. XII. М. : Изд-во «Наука», 1968. 403 с. 5. Неручев С. Г. Уран и жизнь в истории Земли. Ленинград: Недра. Ленинградское отделение, 1982. 208 с. 6. Оглоблин К. Ф. Закономерности и распространение урана и тория в раковинах современных и ископаемых моллюсков. Автореф. дис. ... канд г.-м. наук. Баку, 1975. 26 с. 7. Попов Д. К., Поникарова Т. М. Методические рекомендации по определению валового урана и тория в породах, почвах и золе растений. Л. : Институт радиационной гигиены и санитарии Минздрава РФ , 1981. 15 с. 8. Сабанаев К. А., Черкашин В. И. Флюидодинамические особенности формирования залежей УВ в западной части акватории Северного и Среднего Каспия // Материалы XVIII Межд. научной конференции по морской геологии «Геология морей и океанов». М. : ГЕОС, 2009. 379 с. 9. Султанов К. М., Исаев С. А. Палеобиогеохимия моллюсков Азербайджана. Баку : Элм., 1982. 180 с. 10. Tatsumoto M., Goldberg F. Some aspects of the marine geochemistry of uranium // J. Geochim. et Cosmochim. Acta. V. 17. № 3-4. 1959. P. 27-32.

Статья поступила в редакцию 04.03.2012 г.