CC BY
78
УДК 546.79:551.481:577.4 ББК 24.13:26.222.6:28.081.28
Парфилова Надежда Сергеевна
ассистент
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 Parfilova Nadezhda Sergeevna assistant
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] Содержание 90Sr и 137Cs в основных компонентах водосборной территории озера Кожакуль на современном этапе The contents 90Sr and 137Cs in the main components of the water-collecting territory of the lake Kozhakul at the present stage На примере озерной экосистемы Кожакуль описано содержание и распределение долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs в системе «вода - донные отложения - почва» на современном этапе. Распределение радионуклидов в отдельных компонентах экосистемы водоема тесно взаимосвязаны. Вода озера пригодна для хозяйственного использования при условии стабильных гидрологических показателей исследуемого объекта.
On the example of a lake ecosystem of Kozhakul the contents and distribution of long-living radionuclides 90Sr and 137Cs in system "water - ground deposits - the soil" at the present stage is described. The distribution of radionuclides in separate components of an ecosystem of a reservoir are closely interconnected. Water of the lake is suitable for economic use on condition of stable hydrological indicators of studied object.
Ключевые слова: химические поллютанты, 90Sr, 137Cs, радиоактивное загрязнение, Восточно-Уральский радиоактивный след.
Key words: chemical pollyutant, 90Sr, 137Cs, radioactive pollution, East Ural radioactive trace.
Территория вблизи источника эмиссии представляет собой специфическую пространственную структуру, состоящую из участков с разным уровнем загрязнения и соответственно разной степенью трансформации экосистем[1].
Изучение изменений структуры и функционирования экосистем под влиянием внешних факторов представляет собой одну из центральных задач современной экологии[2,1].
Одним из антропогенных факторов, оказывающих воздействие на окружающую среду, в том числе на водоемы, является их загрязнение искусственными радионуклидами [3]. Целью работы является исследование процесса самоочищения водосборной территории озера Кожакуль в современных условиях.
Основными аккумулирующими средами 90Бг, 137Cs на исследуемой территории служат вода, донные отложения и почвы водосборных территорий. При этом вода озер является как транспортной средой (поверхностный и внутрипоч-венный сток в прибрежных экосистемах), так и субстратом, в котором протекают первые процессы трансформации химических форм радионуклидов.
Озерные экосистемы в отличие от рек, которые являются открытыми системами и транзитной средой для поллютантов, представляют собой полузакрытые системы замедленного водообмена. Они являются своеобразными накопителями загрязняющих веществ, поступающих с обширных площадей водосбора и, как правило, имеют при этом большое народнохозяйственное значение[4]. Особо актуально изучение озер Уральского региона, испытывающего на себе самые разнообразные по генезису воздействия.
Озеро Кожакуль принадлежит к озерам верхнего течения реки Теча. Солоноватое озеро Кожакуль расположено в грядо-холмистом сильно выровненном рельефе восточного склона Южного Урала. В административном отношении озеро находится на границе Каслинского и Кунашакского районов Челябинской области. Данная территория расположена в лесостепной зоне Зауралья и Западно-Сибирской равнины, подзоне северной лесостепи[5]. Озеро находится на расстоянии 20 км от эпицентра взрыва.
Материалы и методы исследования
В течении 2010-2013 гг. были проведены полевые исследования с целью забора проб с водосборной территории исследуемого озера. Материалом для настоящего исследования служили вода, донные отложения и почвы водосборной территории озерной экосистемы Кожакуль.
Отбор проб верхнего неконсолидированного слоя донных отложений до глубины 12 см производился дночерпателем гравитационного типа с нижней отекающей диафрагмой. Отбор проб глубже 12 см производился поршневой трубкой Ливингстона (модифицированной Субетто).
Таблица 1
Описание отбора донных отложений озера Кожакуль___________
№ пробы Глубина отбора, см Описание
Ко 01 0-2 Ил черный, обводненный, «тяжелый»
Ко 02 2-4
Ко 03 4-6
Ко 04 6-8
Ко 05 8-10
Ко 06 10-12 Ил черный с зеленоватым оливковым отливом, желеобразной консистенции
Ко 07 12-17
Ко 08 17-22
Ко 09 22-27
Ко 10 27-32
Ко 11 32-37
Ко 12 37-42
Ко 13 42-47 Ил черный с буровато-оливковым оттенком (оливковым несколько «оттеняется»), консистенции густой сметаны или повидла
Ко 14 47-52
Ко 15 52-57
Ко 16 57-62
Определение места закладки почвенных разрезов основывалось на исследовании особенностей ландшафтных катен [6]. Определение места закладки почвенных разрезов на супераквальных позициях ландшафта водосборной территории озера проведено с учетом влияния грунтовых вод на приозерную территорию.
Почвенный разрез Б8 озера Кожакуль - серая лесная почва опесчаненная (заложен в 30 м от берега в березовом лесу. Много песка и озерной гальки. Раз-Вестник ЧГПУ 12.2'2013 298
нотравье, подлесок) и серая лесная почва (разрез Б8/ - 30-40 м от берега, березовый лес, осина, подлесок (шиповник, черника, костяника, разнотравье)).
Таблица 2
Описание почвенных разрезов супераквальных позиций водосбора озера ___________________________Кожакуль______________________________
№ пробы Горизонт Глубина, см Описание
Раз рез Бк (серая лесная почва, опесчаненная)
Кож Бв 1 А0 0-2,5 Лесная подстилка, серо-коричневый
Кож Бв 2 А1 2,5-5 Супесь, светло-серый
Кож Бв 3 5-7,5
Кож Бв 4 В1 7,5-11 Песок, серый с желтыми вкраплениями
Кож Бв 5 11-14,5
Кож Бв 6 В2 14,5-18 Супесь + песок + галька. Серожелтый
Кож Бв 7 18-21,5
Кож Бв 8 21,5-25,5
Кож Бв 9 В3 25,5-28,5 Легкий суглинок, серый
Кож Бв 10 28,5-33,5
Кож Бв 11 33,5-38,5
Кож Бв 12 С 38,5... Тяжелый суглинок, желтооранжевый, увлажненный
Разрез Бк/ серая лесная почва
Кож Б8/1 А0 0-2 Лесная подстилка, серый
Кож 8Б/2 А1 2-5 Супесь + галька + корни, серый
Кож ББ/З А2 5-7 Супесь + галька + песок, серый
Кож 8Б/4 7-10
Кож 8Б/5 Апесч 10-15 Песок + галька + суглинок, желтокоричневый
Кож ББ/б 15-20
Кож 8Б/7 В1 20-27 Суглинок + песок + галька, светлокоричневый
Кож 8Б/8 27-34
Кож 8Б/9 В2 34-39 Глина + песок, рыжий
Кож ББ/Ю 39-44
Кож ББ/П ВС 44-54 Глина, ярко-коричневый
Кож Б8/12 54-64
Пробоподготовка образцов воды, донных отложений и почв проводились на базе физико-химической лаборатории естественно-технологического факультета ЧГПУ. Содержание радионуклидов определялось на базе ФГБУН «Уральский научно-практический центр радиационной медицины» Федерального медико-биологического агентства (г. Челябинск). Определение 137С8 проводилось у-спектрометрическим методом. относительная погрешность измерения составляет менее 15 %. Определение 90Бг проводили после предварительно-
го выделения в виде оксалатов[7]. Относительная погрешность метода составляет менее 20 %. Полученные результаты обрабатывались методами статистического анализа с использованием программного обеспечения MS Excel, SigmaPlot 11.0.
Результаты и их обсуждение
Водная среда является основным компонентом в экосистеме любого водоема. Радионуклиды, поступающие в озерную экосистему, прежде всего попадают в воду, переносятся с ней по всему озеру и аккумулируются из нее грун-тами[8,9].
Исследуемое озеро относится к солоноватым водоемам. Воды данного озера принадлежат к хлоридному классу натриевой группы и для них характерен содовый (I) тип. В катионной группе доминирует двухвалентный магний. Значения рН воды в период гидрологического лета составляют 9,2, что характеризует их как щелочные.
Современные значения удельных активностей радионуклидов 90Sr и 137Cs в водной массе озера Кожакуль представлены на рис. 1.
Рис. 1 Удельная активность 9|^г и 137Cs в воде озера в сравнении с уровнем фона по
Уральскому региону
Уровень удельной активности 90Бг в воде не превышает уровень фона по
Уральскому региону и уровень вмешательства[9].
Как свидетельствуют данные, значения удельной активности 137С8 не зна-
чительно превышаю фон по Уральскому региону, но значительно меньше уровня вмешательства. Содержание данного радионуклида в водной массе близко к современному фону по Уральскому региону (0,04 Бк/л).
Сопоставляя современные уровни удельной активности водной массы исследуемого озера с уровнем вмешательства (НРБ-09/2009), можно отметить, что вода не требует очистки от радионуклидов и может быть использована в хозяйственных целях.
Донные отложения активно участвуют в процессах перераспределения радионуклидов, поступивших в водоем. Грунты могут извлекать из водной массы значительное количество нуклидов. Илы способны надолго удерживать в себе поглощенные поллютанты, при этом становясь основными источниками облучения донных организмов[10].
На рис. 2 представлены данные по распределению долгоживущих радионуклидов в колонке донных отложений. Можно отметить, что в исследуемых илах удельная активность верхних 22-х см отражает общую тенденцию изменения удельной активности радионуклидов 90Бг и 137С8, попавших в водоем при антропогенном воздействии. В нижних слоях удельная активность снижается в десятки раз.
0-2 - і
32-37 -1 37-42 -42-47 -47-52 -52-57 -57-62 ■1
0 500 1000 1500 2000 2500
Удельная активность, Бк/кг
137Св, Бк/кг 90 Бг, Бк/кг
Рис. 2 Распределение долгоживущих радионуклидов 9|^г и 137Cs по колонке донных отложений
По содержанию 137С8 илы можно подразделить на два слоя: верхний (диапазон концентраций от 1894-1613 Бк/кг) и нижний - от 253до 4,2 Бк/кг. Можно отметить, что на глубине 10-12 см для оз. Кожакуль, лежащего на периферии ветровых разносов 1957 и 1967 гг., наблюдается увеличение концентрации радионуклида, что, возможно, связано с ветровым разносом оз. Карачай, который характеризуется большим вкладом 137С8 в радиоактивное загрязнение территории^].
Распределение 90Бг стандартное для водоемов, испытавших на себе антропогенное загрязнение. Максимальная концентрация поллютанта сосредоточена в верхних слоях, вниз по разрезу она немонотонно уменьшается.
Анализ изменения содержания 90Бг и 137С8 в зависимости от глубины колонки донных отложений позволяет отметить, что максимальное количество радионуклидов сосредоточено в верхнем 22-х см слое: 90Бг - 95%, 137С8 - 98%.
В наземных экосистемах почвы являются главным депозитарием поступивших в окружающую среду техногенных радионуклидов, которые по трофическим цепочкам миграции включались в биологический круговорот элементов, поступали в растения и животных и далее, с сельскохозяйственными продуктами в организм человека, обуславливая его облучение[11,12]
Для супераквальных элементов ландшафта водосбора озера Кожакуль характерно повышенное увлажнение, причем не всегда атмосферными осадками, чаще - неглубоко залегающими грунтовыми водами. Это создает схожий с выпотным режим увлажнения, при котором, в отсутствие дождей, наблюдается движение почвенных растворов не только сверху вниз (как при промывном режиме), но и снизу вверх. Повышенное увлажнение обуславливает повышенную продуктивность прибрежных биоценозов. Сочетание промывного и выпотного режима увлажнения не только влияет на характер распределения радионуклидов по разрезу, но и создает возможность их вымывания. Поэтому в супераквальном элементе ландшафта формируются благоприятные условия для миграции 90Бг и 137С8.
Были определены основные физико-химические показатели почв водосборной территории озера Кожакуль, в частности общее содержание органического углерода и фракционный состав. Верхние горизонты достаточно сильно гумифицированы. Общее содержание органического вещества закономерно уменьшается по глубине почвенного профиля. Для исследованных почв характерен фульватно-гуматный тип с преобладанием фракции фульвокислот.
На рис. 3 представлен график изменения содержания долгоживущих радионуклидов 90Бг и 137С8 по почвенному профилю. Максимальная удельная активность в почвах супераквальной позиций характерна для почвенной подстилки. Величины удельной активности достигают 60,8±12,2 Бк/кг по 90Бг и 348±64Бк/кг по 137С8. Отношение удельной активности верхнего слоя к нижнему для 90Бг составляет 27,6, для 137Св 108,75.
200 300
Удельная активность, Бк/кг
'"Се, Бк/кг “Бг, Бк/кг
Рис. 3. Распределение удельной активности долгоживущих радионуклидов в супераквальном почвенном компоненте ^) водосбора озера Кожакуль
В целом для исследуемого почвенного разреза характерно концентрирование радионуклидов в верхнем А0 слое и постепенное уменьшение их содержания вниз по почвенному профилю. Этот факт, возможно, объясняется высоким
содержанием органического вещества, образующего малоподвижные соединения с кальция и стронция[ 13,14].
На рис. 4 представлены данные по распределению исследуемых радионуклидов в супераквальном почвенном компоненте.
Для исследуемого почвенного разреза (88/) характерно концентрирование радионуклидов в верхнем (0 - 5 см) слое и постепенное уменьшение их содержания вниз по почвенному профилю.
График изменения удельной активности 908г от 0 до 64 см разреза имеет характерный вид (убывание от 410±57 Бк/кг на поверхности до 5,2 Бк/кг на глубине около 64 см). Максимум концентрации радионуклида приходится на органогенные образования почв. Незначительные увеличения концентрации 908г наблюдаются в слоях 6-8 см (69±14 Бк/кг) и 10-16 см (52,2±10,4 Бк/кг) связаны с гумусированием данных слоев почвенного профиля.
0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 g 10-16 Я 16-21 Ю 21-25 £ 25-29
29-35,5
35.5-42 42-52,5
52.5-63 63...
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Удельная активность, Бк/кг
137Cs, Бк/кг l=l 90Sr, Бк/кг
Рис. 4. Удельная активность (Бк/кг сухой массы) радионуклидов в супераквальном компоненте почв ^/) водосбора озера Кожакуль
Изменение удельной активности данного радионуклида по всем горизонтам относительно равномерное, что, возможно, связано с внесением органиче-
ских веществ в почву на глубину пахотного горизонта, адсорбированием 137Cs органической частью удобрений и процессом комплексообразования.
Таким образом, на современном этапе содержание в воде долгоживущих радионуклидов находится ниже фоновых значений и уровня вмешательства. Донные отложения и почвы водосборной территории выполняют основную барьерную роль, ограничивая вынос радионуклидов за пределы водоема. Содержание долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs в донных отложениях и супераквальных позициях почв водосборной территории в верхних слоях превышают уровень фона по Уральскому региону. Все выше перечисленное показывает необходимость постоянных мониторинговых исследований водосборной территории озера Кожакуль для прогнозирования повторного загрязнения воды озера.
Авторы выражают благодарность зав. лабораторией минералогии техногенеза и геоэкологии Института минералогии УрО РАН, д.г.-м.-н., профессору Удачину В.Н.; старшему научному сотруднику отдела внешней среды ФГБУН УНПЦ РМ «Уральского научно-практического центра радиационной медицины» Федерального медико-биологического агентства Поповой И.Я.; руководителю лимнолого-экологического центра ФГБОУ ВПО «ЧГПУ», зав. каф. географии и МПГ, доценту, к.г.н. Дерягину В.В.; доценту кафедры химии и МПХ, к.х.н. Сутягину А.А.
Библиографический список
1. Воробейчик, Е.Л. Воздействие точечных источников эмиссии
поллютантов на наземные экосистемы: методология исследований,
экспериментальные схемы, распространенные ошибки / Е.Л. Воробейчик, М.В. Козлов// Экология, 2012, № 2, с. 83-91.
2. Moretti M., Duelli P., Obrist M.K. Biodiversity and resilience of arthropod communities after fire disturbance in temperate forests// Oecologia. 2006. V. 149. №
2. P. 312-327.
3. Сафронов, Н.Г. О самоочищении непроточных водоемов от долгоживущих радионуклидов / Н.Г. Сафронов, М.И. Воробьева// ВосточноУральский радиоактивный след (сборник статей, посвященных последствиям аварии 1957 года на ПО «Маяк»)// Под редакцией А.В. Аклеева, Ю М.Ф. Киселева - Челябинск, 2012.- с. 9-14.
4. Андреева, М.А. Озера Среднего и Южного Урала. - Челябинск, ЮУКИ, 1973. - 270 с.
5. Баранов, В.Ю. Исследование изменчивости формы тела речного окуня (Perca Fluviatilis Linnaeus, 1758) из загрязненных радионуклидами водоемов методами геометрической морфометрии / В.Ю. Баранов, А.И. Смагин, М.В. Чибиряк. Известия Челябинского научного центра, вып. 3(33), 2006.- с. 104-108.
6. Глазовская, М.А. Общее почвоведение и география почв. - М.: Высш. шк., 1981. - 400 с.
7. Методика выполнения измерений удельной активности цезия-137 и стронция - 90 в почвах и донных отложениях. Свидетельство № Ч 150/2002 об аттестации методики выполнения измерений// Гос. ком. РФ по стандартизации и метрологии.-2002.-143 с.
8. Стукалов, П.М. Радиоэкологическая изученность зоны влияния ПО «Маяк» / П.М. Стукалов, С.И. Ровный// Вопр. радиац. Безопасности.-2009.-Спец. вып. 1.- с.5-13.
9. Санитарные правила и нормативы СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009» (Утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 7 июля 2009 г. N 47).- М., 2009.
10. Трапезников, А.В. 60Со, 90Sr, 137Cs и 239 240Pu в пресноводных экосистемах / А.В. Трапезников.- Екатеринбург: Академкнига, 2010.- 510 с.
11. Алексахин, Р.М. Радиоактивное загрязнение почв как тип их деградации / Р.М. Алексахин// Почвоведение, 2009, № 12, с. 1487-1498.
12. Алексахин, Р.М. Радиоактивное загрязнение почвы и растений. М.: Изд-во АН СССР. 1963, 132 с.
13. Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении /Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. - М.: Высш. шк., 2002.
- 334 с.
14. Long, E.L. Predicting toxicity in marine sediments with numeric sediment quality guideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem. - 1998. - Vol.17. - P.714-727.
Bibliography
1. Vorobeychik, E.L.Vozdeystviye of dot sources of issue of pollyutant on land ecosystems: methodology of researches, the experimental schemes extended by mistake / E.L. Vorobeychik, M.V.Kozlov//Ecology, 2012, No. 2, p. 83-91.
2. Moretti M., Duelli P., Obrist M.K. Biodiversity and resilience of arthropod communities after fire disturbance in temperate forests// Oecologia. 2006. V. 149. №
2. P. 312-327.
3. Safronov, N.G. of. About self-cleaning of landlocked reservoirs from long-living radionuclides/N G. Safronov, M.I.Vorobyov//the East Ural radioactive trace (the collection of articles devoted to consequences of accident of 1957 on ON "Bea-con")//Under edition of A.V.Akleev, Yu M.F.Kiselyovs - Chelyabinsk, 2012. - p. 914.
4. Andreeva, M.A.Ozera of Central Ural and South Ural. - Chelyabinsk, YuUKI, 1973. - 270 p.
5. Rams, V.Yu.Issledovaniye of variability of a shape of a body of a river perch (Perca Fluviatilis Linnaeus, 1758) from the reservoirs polluted by radionuclides methods geometrical morphometry / Century Y.Baranov, A.I.Smagin, M. V. Chibiryak. News of the Chelyabinsk scientific center, вып. 3(33), 2006. - p. 104-108.
6. Glazov, M. A. general soil science and geography of soils. - M.: Vyssh. шк. 1981. - 400 p.
7. The Methodology of Measuring 137Cs and 90Sr in Soils and Bottom sediments // State Com. of the RF by Standardization and Metrology. - 2002. - 143 p.
8. Stukalov, M Item. Radio ecological study of a zone of influence ACCORDING TO the "Beacon" / Item M. Stukalov, S.I.Rovny//Vopr. радиац. Safety. -2009 . - Special вып. 1 . - p. 5-13.
9. Health regulations and standards SanPiN 2.6.1.2523-09 of "Standard of radiation safety of NRB-99/2009" (Utv. the resolution of the Chief state health officer of the Russian Federation of July 7, 2009 N 47).- M, 2009.
10. Trapeznikov, A.V. 60Со, 90Sr, 137Cs and 239,240Pu in fresh-water ecosystems / A.V. Trapeznikov. - Yekaterinburg: Академкнига, 2010. - 510 p.
11. Aleksakhin, River of M. Radioactive pollution of soils as type of their degradation/Ruble of M. Aleksakhin//Soil science, 2009, No. 12, p. 1487-1498.
12. Aleksakhin, River of M. Radioactive pollution of the soil and plants. M: Publishing house of Academy of Sciences of the USSR. 1963, 132 pages.
13. Eagles, D.S.Ekologiya and biosphere protection at chemical pollution / D.S.Orlov, L.K.Sadovnikova, I.N.Lozanovskaya. - M: Vyssh. шк. 2002 . - 334 p.
14. Long, E.L. Predicting toxicity in marine sediments with numeric sediment quality guideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem.
- 1998. - Vol.17. - P.714-727.
