CC BY
55
а
Экология
УДК 502.3/.7
ВЛИЯНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СИСТЕМУ «ПОЧВА—ВОДА—РАСТЕНИЯ» В ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-14005
С. В. Лебедев, доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории биологических испытаний и экспертиз, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук»; профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет», e-mail: Lsv74@list.ru, Оренбург, Россия,
В. В. Гречкина, кандидат биологических наук, доцент кафедры незаразных болезней животных, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный аграрный университет»; научный сотрудник лаборатории биологических испытаний и экспертиз, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», e-mail: Viktoria1985too@mail.ru, Оренбург, Россия,
Ф. Х. Бикташева, кандидат биологических наук, доцент кафедры безопасность жизнедеятельности и технологического оборудования, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Башкирский государственный аграрный университет», e-mail: biktasheva56@mail.ru, Уфа, Россия
В статье представлены результаты миграции техногенных, природных радионуклидов и тяжелых металлов в системе «почва—вода—растения». В результате исследования выяснены основные особенности миграции наиболее важных в радиологическом отношении нуклидов и пол-лютантов в природных биогеоценозах. Растения аккумулируя из почвы радиоактивные вещества и токсичные металлы, накапливают их в наземных частях или депонируют корневой системой. Уровень накопления искусственных радионуклидов и 9^г на территории Октябрьского района Оренбургской области находится в пределах ПДК, при этом уровень природных радио-
Введение. Интенсификация промышленности, химизация сельского хозяйства, применение радионуклидов для народнохозяйственных нужд приводят к проникновению радиоактивных веществ в трофическую цепь, при этом наносится непоправимый вред здоровью человека в виде канцерогенного и мутагенного воздействия. Радиоэкологическая обстановка на Урале неоднородна и в ряде районов весьма неблагоприятна. Это неблагополучие вызвано как естественной геологической средой, так и аварийными ситуациями и многолетней бесконтрольной деятельностью ряда предприятий Минатома РФ и других ведомств [1—3].
В настоящее время интерес к загрязнению радиоактивными веществами вырос в связи с ростом общих показателей заболе-
активных изотопов 40К и 232Th в почве выше в 1,03 и 1,31 раза относительно предельно-допустимой концентрации. Тяжелые металлы по интенсивности их поглощения травянистой растительностью распределились в возрастающей последовательности: Cd > Cr > Pb > Co > Mn.
Наши исследования позволили оценить радиационную и химическую обстановку в Октябрьском районе Оренбургской области, а также собрать научную информацию для прогнозирования возможных радиологических последствий попадания радиоактивных веществ в окружающую среду.
The article presents the results of the migration of technogenic, natural radionuclides and heavy metals in the system "soil—water—plant". As a result of the study, the main features of migration of the most radiologically important nuclides and pollutants in natural bio-geocenoses have been clarified. Plants accumulating radioactive substances and toxic metals from the soil accumulate them in ground parts or deposit them with the root system. The accumulation level of artificial radionuclides 137Cs and 90Sr in the territory of the Oktyabrsky District of the Orenburg Region is within the MAC, while the level of natural radioactive isotopes 40K and 232Th in the soil is 1.03 and 1.31 times higher than the maximum permissible concentration. Heavy metals according to the intensity of their absorption by grass vegetation were distributed in increasing sequence: Cd > Cr > Pb > Co > Mn.
Our research allowed us to assess the radiation and chemical situation in the Oktyabrsky District of the Orenburg Region, as well as to gather scientific information to predict the possible radiological consequences of radioactive substances entering the environment.
Ключевые слова: радионуклиды, тяжелые металлы, типы почв, профильная миграция, среда.
Keywords: radionuclides, heavy metals, soil types, profile migration, environment.
ваемости по России, увеличением числа онкологических больных, падением продолжительности жизни, все это связывают с напряженной экологической обстановкой и высоким уровнем химического загрязнения, в том числе техногенными радиоизотопами. Экологические последствия радиоактивного загрязнения почв заключаются в миграции радионуклидов в биологический круговорот, которые попадают в организм человека, депонируются в органах и тканях, вызывая радиоактивное внутреннее облучение [4].
Радионуклиды, подобно многим загрязняющим веществам, постепенно концентрируются в пищевых цепях. В экологическом отношении наибольшую опасность представляют изотопы и Это обусловлено длительным периодом полураспада, высокой энергией излучения и способностью легко вступать в биологический круговорот в цепи питания [5—6].
Цель исследования — выявить закономерность распре деле -ния радионуклидов и тяжелых металлов в биологической цепи «почва—вода—растения» в Октябрьском районе Оренбургской области.
Модели и методы. Исследования проводились с 2018 по 2019 год в АПК «Ильинка» Октябрьского района Оренбургской области.
Были отобраны пробы образцов почвы в соответствии с ГОСТ Р 54038—2010 Почвы. Методика определения (137) С8 в почвах сельхозугодий. Пробы почв отбирались методом конверта. Растительные образцы отбирались на тех же участках что и почвы. Отбор трав пастбищ производили на месте отбора индивидуальной пробы почвы на участке 1 м2. Масса образца составляла не менее 1 кг.
Отбор проб воды для анализа радиологических показателей производили в соответствии с общими требованиями ГОСТ Р 51592—2000. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074—01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
Для измерения активности альфа, бета и гамма-излучающих нуклидов в счетных образцах был использован спектрометрический комплекс «Прогресс-5» в аналитической л аборатории ФГБОУ ВО «Оренбургского ГАУ». Определяли радиоактивные вещества 137С8, 226Яа, 2321Ъ, 40К, 222Ии, 903г. В воде определяли суммарную альфа и бета-активность ГОСТ 31864—2012 Вода питьевая. Метод определения суммарной удельной альфа-активности радионуклидов. Нормативы допустимых уровней содержания 137С8 и 90$г, используемые в соответствии с Нормами радиационной безопасности (НРБ-99). СП 2.6.1.758—99. Санитарные правила и нормы — СанПиН 2.3.2.1078—99, СанПиН 2.3.2.1078—1 [7—8].
Активность 137С8 и 90$г в счетных образцах измерялась по гамма-излучению дочернего р/н барий-137т на радиометрических установках на основе сцинтилляционных гамма-спектрометров в соответствии с методикой «Использование компьютеризованных гамма, бета-спектрометрических комплексов с программным обеспечением для испытаний проб на соответствие требованиям критериев радиационной безопасности» [9].
Счетные образцы в виде прессованных таблеток равномерной толщины объемом до 20 см3 помещаются для измерения в специальные кюветы диаметром 73 мм. Значение удельной активности р/н в счетном образце определяется путем программной математической обработки спектрограмм по алгоритмам, специ-
фичных для счетных образцов различного радио-нуклидного состава.
Для определения концентрации микро- и макроэлементов Pb, Co, Cr, Mn, Cd, Ca, K использовали атомно-абсорбционный анализатор «Спектр-5». РД 52.18.286—91 МУ Методика выполнения измерений массовой доли водорастворимых форм металлов в пробах почвы атомно-аб-сорбционным анализом.
Статистический анализ выполняли с использованием методик ANOVA (программный пакет Statistica 10.0, «StatSoft Inc.», США) и Microsoft Excel. Статистическая обработка включала расчет среднего значения (М) и стандартные ошибки среднего (±SEM). Достоверность различий сравниваемых показателей определяли по t-критерию Стьюдента. Уровень значимой разницы был установлен на р < 0,05.
Результаты и обсуждение. Попадая на поверхность почвенного покрова, радионуклиды поглощаются почвой. Миграция и перераспределение радионуклидов происходит в горизонтальном и вертикальном направлениях [10]. Основная особенность грунтовых вод заключается в том, что они имеют непосредственное питание от атмосферных осадков и поверхностных вод. В свою очередь, грунтовые воды по условиям питания подразделяются на воды, приуроченные к участкам, удаленным от открытых водоемов и на воды, находящиеся на участках, расположенных вблизи рек и других водоемов. Данный факт указывает на необходимость исследования уровня а- и ß-ак-тивности подземных водоисточников.
Активность радионуклидов в воде представлена в таблице 1.
Суммарная активность — это условная активность счетного образца, численно равная активности регламентированного образца сравнения при одинаковых показаниях радиометра. Лабораторные исследования показали, что а- и ß-сум-марная активность вод с подземного централизованного водоисточника Октябрьского района Оренбургской области АПК «Ильинка» находится в пределах ПДК, который составляет 0,2 и 1,0 Бк/л. Проведенные исследования позволяют считать, что миграция искусственных радиоактивных веществ в подземных водах по сравнению с водами открытых водоемов в значительной мере ограничена.
При анализе почвы и травы (Trifolium praténse, Festuca pratensis, Alopecúrus praténsis, Medicágo sativa) с пастбища активность радионуклида 232Th составила 39,5421 и 9,0854 при ПДК данного показателя 30 Бк/кг. Активность 137Cs и 90Sr в траве луговых пастбищ не выходит за пределы ПДК (табл. 2).
Исследования показали, что активность 40К в исследуемых образцах находилась на верхней границе ПДК, которая составляет 500 Бк/кг. В почве хозяйства АПК «Ильинка» этот уровень был выше на 110 Бк/кг. С физико-химических позиций сорбционная способность почвы тем выше, чем больше в ней соединений, которые могут химически реагировать с радионуклидами. Относительно большой сорбционной способностью обладают черноземные почвы, что связано с наличием в их составе гумуса, который содержит высокомолекулярные вещества, находящиеся в коллоидном состоянии и отличающиеся хорошей обменной емкостью поглощения.
На интенсивность и полноту поглощения радионуклидов, а также прочность их закрепления в твердой фазе почвы существенное влияние оказы-
Таблица 1 Суммарная активность радионуклидов в воде АПК «Ильинка» Октябрьского района Оренбургской области, Бк/л (X ± Sx)
Объект исследования Показатель Активность радионуклида
Вода с подземного ц ент-рализованного водоисточника а-активность ß-активность 0,0564 ± 0,0025 0,4739 ± 0,0743
Поверхностные воды пруда АПК «Ильинка» а-активность ß-активность 0,0654 ± 0,0036 0,578 ± 0,0475
Артезианская вода а-активность ß-активность 0,0154 ± 0,0012 0,189 ± 0,0123
Таблица 2
Активность радионуклидов в почве и траве хозяйства АПК «Ильинка» Октябрьского района Оренбургской области, Бк/кг (X ± Sx)
Объект исследования Показатель Активность радионуклида, Бк/кг
Почва (чернозем 137Cs 4,5365 ± 0,1542
обыкновенный) 226Ra 12,2641 ± 1,5684
232Th 25,3214 ± 3,6214
40K 610 ± 21,52
222Rn 41,8564 ± 5,0412
90Sr 41,14 ± 5,21
Почва (лугово-чер- 137Cs 2,0254 ± 0,9654
ноземные) 226Ra 21,5412 ± 1,2541
232Th 39,5421 ± 4,8745
40K 541,65 ± 59,45
222Rn 61,23 ± 6,0314
90Sr 31,23 ± 5,47
Трава (луговые 137Cs 0,8745 ± 0,1523
пастбища, 226Ra 5,5629 ± 0,9874
надземная часть 232Th 9,0854 ± 1,0231
разнотравья) 40K 487 ± 19,65
222Rn 2,1241 ± 0,6954
90Sr 21,85 ± 2,12
20 -
^ 18 -- ИСа 1К
Почва АПК «Ильинка» Почва «луговые Трава АПК «Ильинка» Трава «луговые пастбища» пастбища»
Место отбора проб
Рис. 1. Уровень концентрации Са и К+ в почве и траве хозяйства АПК «Ильинка» Октябрьского района Оренбургской области
Почва АПК «Ильинка» Трава «луговые пастбища» Почва «луговые пастбища» ПДК
Сг
Микроэлементы
Рис. 2. Содержание микроэлементов в почве и траве хозяйства АПК «Ильинка» Октябрьского района Оренбургской области, мг/кг
вает реакция среды, ее кислотность (рН). В этом отношении кислые почвы значительно менее способны к сорбции, чем почвы с нейтральной реакцией. При анализе данного показателя было выявлено, что почва с луговых пастбищ имеет кислую среду рН = 5,45, а почва (чернозем обыкновенный) рН = 7,01.
Концентрация 908г в травостое зависит от содержания Са в почвах. С увеличением содержания Са в почве пастбища до 17,9 мг/кг, накопление 90 8г в траве (надземная часть разнотравья) снижалась до 21,85 ± 2,12 Бк/кг (рис. 1).
Перемещающийся в почве 90$г распределяется между обменным кальцием и кальцием, находящимся в почвенном растворе. В обоих случаях кальций выполняет функцию неизотопного носителя.
В почве валовое содержание тяжелых металлов в верхнем слое (0—20 см) на исследуемой пробной площадке и точечных участков находится в пределах величин, рекомендованных ГОСТ 30692—2000 (рис. 2).
Концентрация поллютантов почв (чернозем обыкновенный) АПК «Ильинка» выше ПДК отмечали по следующим параметрам: Мп в 1,14 раза, РЬ в 1,22 раза, Сё в 2,01 раз.
При исследовании почв (лугово-черноземные) с пастбищ содержание Сё было в 3,02 раза, РЬ в 2,15 раз ниже предельно-допустимой концентра-
ции. Содержание тяжелых металлов в зеленых частях растений не превышает ПДК. Тяжелые металлы по интенсивности их поглощения травянистой растительностью можно расположить в возрастающей последовательности: Сё > Сг > > РЬ > Со > Мп.
Заключение. По результатам исследований установлено, что уровень накопления искусственных радионуклидов 137С8 и 90$г на территории Октябрьского района Оренбургской области находится в пределах допустимой концентрации, при этом содержание природного радиоактивного изотопа 40К в почве выше в 1,03 раза, концентрация 232ТИ выше в 1,31 раз относительно ПДК.
Аккумуляция тяжелых металлов растениями зависела от типа почв и содержания в них запасов этих элементов. Анализ показал, что концентрация РЬ в лугово-черноземной почве была ниже ПДК в 2,15 раз, Сё в 3,02 раза относительно ПДК, чем на территории хозяйства АПК «Ильинка» почва (чернозем обыкновенный). Основное поступление обусловлено техногенным влиянием транспорта и их выбросами в окружающую среду.
Исследования выполнены в соответствии с планом научно-исследовательских работ Федерального научного центра биологических систем и агротех-нологий Российской академии наук (№ 0761-20190003).
Библиографический список
1. Ефремов И. В. Исследование нахождения подвижных форм тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137 и строн-ция-90 в почвенно-растительных комплексах стенной зоны: в 3 т. / И. В. Ефремов, H. H. Рахимова, Е. Л. Янчук // Актуальные проблемы экологии: сб. науч. работ. Томск. — 2004. — № 3. — С. 455—456.
2. Горобцова О. H., ^заренко О. Г. Роль почвенного нокрова в аккумуляции и миграции полициклических ароматических углеводородов нри техногенном загрязнении / О. H. Горобцова, О. Г. ^заренко // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. — Ростов-на-Дону. — 2015. — № 1. — С. 73—79.
3. Korotkova A., Lebedev S., Gavrish I. The study of mechanisms of biological activity of copper oxide nanoparticle CuO in the test for seedling roots of Triticum vulgare | A. Korotkova, S. Lebedev, I. Gavrish // Environ SciPollut Res. 2017. № 24 (11). pp. 10220—10233. doi: 10.1007/s11356-017-8549-9.
4. Рахимова H. H. Восстановление ночв, загрязненных радионуклидами, методом фитомелиорации / H. H. Рахимова // Всероссийская научно-методическая конференция с международным участием «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Оренбург: ОГУ. — 2014. — С. 997—1002.
5. Молчанова В. H., Караваева Л. Р. Эколого-генетический анализ отдаленных последствий Тоцкого ядерного взрыва в Оренбургской области в 1954 году (факты, модели, гипотезы) / В. H. Молчанова, Л. Р. Караваева // Труды ученых УрО РА^ Екатеринбург: УрО РА^ — 1997. — С. 45—47.
6. Lebedev S., Korotkova A., Osipova E. Influence of Fe0 nanoparticles, magnetite Fe3O4 nanoparticles, and iron (II) sulfate (FeSO4) solutions on the content of photosynthetic pigments in Triticum vulgare / S. Lebedev, A. Korotkova, E. Osipova // Russian Journal of Plant Physiology. — 2014. — Vol. 61 (4). P. 564—569. DOI: 10.1134/S1021443714040128.
7. Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счет природных источников ионизирующего излучения. Санитарно-эпидемиологические правила. СП. 2.6.1.1292—03. Москва: Минздрав России. — 2003. — 36 с.
8. ^рмы радиационной безопасности ЩРБ-99/2009): Гигиенические нормативы. Центр санитарно-энидемиологи-ческого нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России. — Москва. — 2009. — 72 с.
9. Методика измерения активности радионуклидов в счетных образцах на сцинтилляционном гамма-спектрометре с использованием программного обеспечения «Прогресс». ГП «ВHИИФTРИ». — Москва. — 1996 г.
10. Яковлева Е. В. Биаккумуляция полициклических ароматических углеводородов в системе ночва—растение / Е. В. Яковлева // Агрохимия. — Москва. — 2008. — С. 66—74.
INFLUENCE OF RADIONUCLIDES AND HEAVY METALS ON THE SYSTEM "SOIL—WATER—PLANTS" IN THE ORENBURG REGION
S. V. Lebedev, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Chief Researcher of the Laboratory of Biological tests and examinations, Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Center of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences"; Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Orenburg State University", e-mail: Lsv74@list.ru. Orenburg, Russia,
V. V. Grechkina, Ph. D. (Biology), Associate Professor of the Department of Non-contagious diseases of animals, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Orenburg State University"; researcher of the Laboratory of Biological tests and examinations, Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Center of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences"; e-mail: Viktoria1985too@mail.ru. Orenburg, Russia,
F. H. Biktasheva, Ph. D. (biology), Associate Professor of the Department of Life safety and technological equipment, ederal State Budget Educational Institution of Higher Education "Bashkir State Agrarian University", e-mail: biktasheva56@mail.ru. Ufa, Russia.
References
1. Efremov I. V. Aktual'nye problemy ekologii.: sb. nauch. rabot [ Current Issues of Ecology. Collection of scientific works] Tomsk, 2004. No. 3. P. 455-456. [in Russian]
2. Gorobtsova O. N., Nazarenko O. G. Izv. vuzov. Sev. Kav. region. Estestvennye nauki [Izv. universities. Sev. Kav. region. Natural Sciences] Rostov-on-Don, 2015. No. 1. P. 73—79. [in Russian]
3. Korotkova A., Lebedev S., Gavrish I. The study of mechanisms of biological activity of copper oxide nanoparticle CuO in the test for seedling roots of Triticum vulgare. Environ SciPollut Res. 2017. No. 24 (11). P. 10220—10233. doi:10.1007/s11356-017-8549-9. [in Russian]
4. Rahimova N. N. Vserossijskaya nauchno-metodicheskaya konferenciya s mezhdunarodnym uchastiem "Universitetskij kompleks kak regional'nyj centr obrazovaniya, nauki i kul'tury" [All-Russian scientific and methodical conference with international participation "University complex as a regional center of education, science and culture"]. Orenburg: OGU, 2014. P. 997—1002. (in Russian)
5. Molchanova V. N., Karavaeva L. R. Trudy uchenyh UrO RAN [Works of scientists UB RAS]. Ekaterinburg, 1997. P. 45—47. [in Russian]
6. Lebedev S., Korotkova A., Osipova E. Influence of Fe0 nanoparticles, magnetite Fe3O4 nanoparticles, and iron (II) sulfate (FeSO4) solutions on the content of photosynthetic pigments in Triticum vulgare. Russian Journal of Plant Physiology. 2014. Vol. 61 (4). P. 564—569. DOI: 10.1134/S1021443714040128.
7. Sanitarno-epidemiologicheskie pravila. SP. 2.6.1.1292—03. Minzdrav Rossii [Sanitary and epidemiological rules. JV 2.6.1.1292—03. The Ministry of Health of Russia.]. Moscow, 2003. 36 p. [in Russian]
8. Centr sanitarno-epidemiologicheskogo normirovaniya, gigienicheskoj sertifikacii i ekspertizy Minzdrava Rossii [Center for Sani-tary-Epidemiological Regulation, Hygienic Certification and Expertise of the Ministry of Health of Russia]. Moscow, 2009. 72 p. [in Russian]
9. Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut fiziko-tekhnicheskih i radiotekhnicheskih izmerenij [All-Russian Research Institute of Physico-Technical and Radio Engineering Measurements]. Moscow, 1996. [in Russian]
10. Yakovleva E. V. Agrohimiya [Agrochemistry]. Moscow, 2008. P. 66—74. [in Russian]
