Ресуспензия.

Ресуспензия радионуклидов, связанных с частицами почвы, представляет собой механизм их выноса из рассматриваемой системы путем эрозии под воздействием воды или ветра и последующего загрязнения ими поверхности растений. Механизм ресуспензии обычно описывается с помощью эмпирического коэффициента ресуспензии (КР), определяемого как отношение концентраций радионуклидов в воздухе (БК/м3) и на поверхности земли (БК/м2).

Перенос вещества.

Перенос вещества может проходить под воздействием физических механизмов (например, при передвижении частиц почвы через макропоры), а также в результате деятельности роющих организмов. Биотический перенос радионуклидов роющими организмами или же в результате их жизнедеятельности может представлять собой весомый и быстрый путь миграции радионуклидов в поверхностном слое почвы. Для тех радионуклидов, которые внедряются в почвенные частицы и поэтому не выщелачиваются, вторичное распределение по почвенному профилю будет осуществляться в основном посредством массопереноса.

Выщелачивание.

Выщелачивание - это вынос растворимого компонента из пористого твердого вещества просачивающейся водой. Определить выщелачивание радионуклидов из почвенного профиля в процессе выщелачивания достаточно трудно даже с помощью сложных моделей.

Скорость самоочищения почв от радионуклидов зависит от скорости их радиоактивного распада и миграционной способности. В тяжелых (глинистых и тяжелосуглинистых) почвах радионуклиды в течение длительного времени находятся в верхнем 10-см слое целинных почв или в пахотном слое освоенных почв. В песчаных почвах они в течение первых десятилетий просачиваются в более глубокие слои и могут проникать в грунтовые воды. Миграция радионуклидов осуществляется с поверхностным стоком и ветровыми потоками, что приводит к расширению ареалов загрязнения.

2. Формы нахождения радионуклидов в почвах

Среди многообразия форм выделяют водорастворимую, обменную, необменную и прочносвязанную необменную. Под водорастворимой понимают ту часть радионуклидов, которая экстрагируется из почвы дистиллированной водой. Радионуклиды в обменной форме экстрагируются 1н. раствором ацетата аммония, в необменной форме - 6н. раствором соляной кислоты. Радионуклиды в необменной прочносвязанной форме способны экстрагироваться только смесью плавиковой и азотной кислот.

Среди этих форм наибольшую роль играют первые две, поскольку они способны усваиваться растениями и, следовательно, мигрировать по биологической цепочке. Каждый из радионуклидов присутствует в почве в водорастворимой, обменной и необменной формах одновременно, однако соотношение между этими формами для разных радионуклидов существенно различается.

Имеется классификация, которая построена в зависимости от наличия факторов, оказывающих влияние на поведение радионуклидов в системе почва-раствор (Тимофеев-Ресовский).

1. Zn, Cd, Co - обменный тип поведения, в почве могут закрепляться вследствие сорбции почвенными минералами - органоминеральные комплексы.

2. Na, Rb, Sr - обменный, механизм закрепления - ионный обмен. Характеризуются относительно слабым закреплением и высокой подвижностью. Важный фактор миграции - присутствие в растворе других катионов. В области микроконцентраций изменение их количества не влияет на процессы сорбции-десорбции.

3. Cs - имеет признаки обменного и необменного типа. Максимально важен признак миграции - изменение собственной концентрации.

4. Ce, Zn, Nb, Fe, Ru - многоморфный тип поведения, десорбция из почвенного фильтрата <10%, вытеснение катионами слабое, увеличение рН уменьшает их сорбцию.

5. Ag - многоморфный с переменной валентностью.

Радионуклиды, являясь изотопами химических элементов, характеризуются теми же свойствами, что и их стабильные изотопы.

3. Поглощение и закрепление радионуклидов почвами

Количественными критериями, описывающими процессы взаимодействия радионуклидов с почвами, являются полнота поглощения (сорбция) их ППК и прочность закрепления в поглощенном состоянии.

Емкость поглощения почвы зависит от содержания в ней высокодисперсных частиц. Фракция почвы, частицы которой крупнее 0,001 мм, обладает емкостью поглощения от 0,12 до 13,4 мг*экв., а фракция частиц меньше 0,001 мм - от 20,6 до 107,4 мг*экв. на 100 г. Почвы, содержащие большее количество высокодисперсных частиц (размером менее 0,001 мм), характеризуются высокой емкостью поглощения.

Радионуклиды в почве присутствуют в микроколичествах. Следовательно, в процессе поглощения микроколичества радионуклидов не конкурируют за места на поверхности сорбента, так как по отношению к ним насыщенность сорбента всегда остается очень низкой. В тоже время, изменение концентрации макроэлементов в такой системе может существенно повлиять на распределение микроколичеств радионуклидов между раствором и сорбентом. Твердая фаза почвы довольно полно поглощает все радионуклиды (80-99%), за исключением 106Ru (50-60%).

Об относительной подвижности радионуклидов в почве судят по прочности закрепления их в поглощенном состоянии, т.е. по их количеству, вытесненному из почвы водой или растворами различных солей. При сравнении способности радионуклидов к вытеснению из поглощенного состояния катионами солей наблюдаются более резкие различия в поведении в почвах микроколичеств радионуклидов.

Например, если сопоставить прочность закрепления в поглощенном состоянии долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs, то оказывается, что они неодинаково вытесняются из почвы. Из всех почв 90Sr вытесняется в большем количестве, чем137Cs. Оба этих радионуклида поглощаются почвами по типу ионно-обменной сорбции. Однако, поглощенный 137Cs закрепляется прочнее, чем 90Sr. Часть 137Cs поглощается почвой в необменной форме.

На разных почвах прочность закрепления поглощенных радионуклидов неодинакова. Более прочно они закрепляются в черноземе. В дерново-подзолистой супесчаной почве радионуклиды находятся в наиболее подвижном состоянии.

4. Свойства почв, влияющие на поведение радионуклидов

К свойствам почвы, влияющим на поведение радионуклидов в почве, относятся кислотность почвенного раствора, величина емкости поглощения почв, состав обменных катионов, содержание органического вещества, гранулометрический и минералогический состав почв и др.

Реакция среды и состав обменных катионов - факторы, определяющие степень поглощения и прочность закрепления радионуклидов при их попадании в почву.

1) Кислотность почвенного раствора существенно влияет на процессы поглощения и закрепления радионуклидов почвой, следовательно, и на интенсивность перехода радионуклидов из почвы в растения. Из кислых почв радионуклиды поступают в растения в больших количествах, чем из почв слабокислых, нейтральных или слабощелочных. При увеличении кислотности почвы снижается прочность закрепления ППК 90Sr и 137Cs и соответственно возрастает интенсивность поступления их в растения. При повышении рН ряд радионуклидов переходит из ионной формы в различные гидролизные комплексные соединения, что снижает их доступность для растений. Кислотность оказывает и косвенное влияние на сорбцию почвами радионуклидов, изменяя емкость катионного обмена. Дерново-подзолистые почвы характеризуются высокой исходной кислотностью и слабой насыщенностью основаниями. При добавлении извести в такую почву резко повышает долю прочно закрепленных радионуклидов в почве и способствует их переводу в необменное состояние [Анненков Б.Н. и др., 1991].

Известкование кислых почв не только создает условия для лучшего роста растений, но и является одновременно средством существенного уменьшения поглощения радионуклидов растениями из почвы. В среднем для большинства сельскохозяйственных растений минимум накопления 90Sr и 137Cs отмечался при рНксl - 6,7, что на 0,7 выше агрохимического оптимума [Путятин Ю.В. и др, 2005].

2) Обменные ионы.

Обменные ионы составляют небольшую часть от общего содержания химических элементов в почвах. Их количество измеряется единицами и десятками мг-экв на 100 г почвы.

На сорбционно-десорбционные процессы оказывают влияние присутствующие в почвенном растворе обменные катионы. Каждая почва в естественном состоянии содержит определенное количество обменно-поглощенных катионов. Преобладающими в ППК и играющими большую роль в почвенных процессах и формировании физико-химических свойств почв являются катионы: Ca2+, Mg2+, H+, Al3+, Na+, K+, NH4+, в незначительных количествах Mn2+, Fe2+, а также Li+, Sr+ и др. В большинстве почв среди них преобладает Ca2+, второе место занимает Mg2+, в некоторых почвах в поглощенном состоянии в значительном количестве содержится Н+ и обычно относительно немного Na+, K+, NH4+ и Al3+. Общее количество всех поглощенных (обменных) катионов называется емкостью катионного обмена (ЕКО), которая выражается в мг-экв на 100 г почвы. ЕКО сильно зависит от гранулометрического состава (чем тяжелее, тем выше ЕКО), от минералогического и химического состава почв, и увеличивается с ростом рН.

В поглощенном состоянии могут находиться и анионы (SO42-, PO43-, No3- и др.) на положительно заряженных участках коллоидной мицеллы.

На основании данных по сорбции можно выделить специфический вытеснитель или катион, который вытесняет данный изотоп в большей степени, чем другие. Такие вытеснители для 65Zn, 137Cs, 60Co - 64Cu, для 85Rb, 137Cs - 42K, для 90Sr - 45Ca. Чем больше в почве обменных катионов - элементов-носителей, тем меньше биологическая подвижность радионуклидов, и наоборот.

Степень сорбции радионуклидов зависит не только от количества обменных катионов, но и от содержания их в растворе. С увеличением концентрации сопутствующих катионов в растворе, уменьшается количество радионуклидов, сорбированных твердой фазой почвы (т.е. снижает сорбцию радионуклидов). Однако данная зависимость для разных радионуклидов различна.

3) Гранулометрический состав почв.

На сорбционные процессы радионуклидов в почвах влияет гранулометрический состав почв. Это связано с тем, что отдельные фракции механических элементов различаются по химическому и минералогическому составу, а также по физико-химическим и физическим свойствам. Наиболее резкие различия наблюдаются между фракцией ила (<0,001) и остальными фракциями. Доля разных фракций в гранулометрическом составе почв неодинакова (таблица 1 приложения 1).

Установлено, что гранулометрический состав почвы больше влияет на прочность закрепления микроколичеств радионуклидов, чем на величину их поглощения. Тяжелыми почвами (тяжелосуглинистые и глинистые) поглощенные радионуклиды, особенно 137Cs, сильнее закрепляются, чем легкими (песчаные и супесчаные). С уменьшением размера фракций почвы прочность закрепления ими 90Sr и 137Cs повышается. Наиболее прочно закрепляются радионуклиды илистой фракцией.

С уменьшением размеров частиц снижается содержание оксида кремния, возрастает количество полуторных оксидов железа и алюминия и, что особенно важно для процессов сорбции радионуклидов, повышается содержание гумуса и обменных катионов кальция, магния и калия.

4) Минералогический состав почв.

Известно, что отдельные фракции почв различаются не только размером частиц, но и физическими, химическими свойствами и минералогическим составом.

Содержание в илистой фракции почв минералов монтмориллонитовой группы, а также слюд и гидрослюд - одна из основных причин более прочного закрепления микроколичеств 90Sr и 137Cs этой фракцией. Наибольшей поглотительной способностью по отношению к микроколичествам радионуклидов, как и к макроэлементам, обладают минералы монтмориллонитовой группы и группы гидрослюд. Минералы коалинитовой группы и группы слюд характеризуются меньшей сорбционной способностью по отношению к макро- и микроколичествам катионов, находящихся в почве.

Различия в полноте сорбции радионуклидов и в степени их закрепления разными минералами обусловлены, прежде всего, неодинаковой структурой кристаллической решетки минералов. Минералы монтмориллонитовой группы благодаря строению кристаллической решетки отличаются интрамицеллярным поглощением и поэтому не только более полно сорбируют микроколичества радионуклидов, но и более прочно закрепляют их в поглощенном состоянии, чем минералы других групп.

Различают интрамицеллярное и экстрамицеллярное поглощение.

Интрамицеллярное поглощение - это вхождение катионов внутрь кристаллической решетки минералов. Экстрамицеллярное поглощение - поглощение катионов на поверхности слоев кристаллической решетки минералов. Минералы монтмориллонитовой группы поглощают 97-98% радионуклидов, гидрослюды - 80-88%, полевой шпат - 10-50% 90Sr от внесенного. 137Cs более прочно сорбируется почвами, чем 90Sr, что связано с прочной сорбцией радиоцезия минеральной частью, особенно высокодисперсными фракциями, содержащими минералы монтмориллонитовой группы и группы гидрослюд.

5) В почве содержание органического вещества невелико и колеблется от 2 до 10-12%. Органическое вещество почвы имеет сложный состав: неразложившиеся, полуразложившиеся растительные остатки, микроорганизмы и гумус. Органическое вещество может оказывать существенное влияние на миграцию радионуклидов. Влияние почвенного органического вещества на миграцию радионуклидов зависит от их взаимодействия с отдельными компонентами органического вещества, может проявляться различным образом, в зависимости от физико-химических свойств радионуклидов и свойств органического вещества.

Некоторые компоненты гумуса (лигнин, белки и др.) могут содержать функциональные группы (NH2, OH-, COOH-) которые способны образовывать координационные связи с металлами. В зависимости от свойств радионуклидов могут образовываться комплексные соединения, обладающие различной растворимостью. Чаще всего, органические вещества с радионуклидами образуют относительно легко растворимые соединения. Таким образом, комплексообразование вызывает ускоряющее действие на скорость миграции радионуклидов. Наличие органического вещества в почве способствует увеличению поглощения 90Sr и снижает сорбцию 137Cs.

Наибольшим содержанием органического вещества обладают мелкопылеватые и илистые частицы. В более крупных фракциях (средней и крупной пыли) содержание гумуса резко падает, во фракции мелкого песка гумуса практически нет.

6) Динамика свойств почвы во времени.

С течением времени после попадания радионуклидов в почву изменяются их физико-химические формы, радионуклиды становятся менее доступными растениям, происходит так называемый процесс их «старения» в почвах (вхождение их в кристаллическую решетку глинистых минералов, ионный обмен, химическое осаждение). В течение года постоянно меняются температура и влажность, от которых зависит миграция радионуклидов. Эти показатели влияют на изменение валентности отдельных элементов и радионуклидов, степень их подвижности и количество потребления растениями и микроорганизмами.

Большая часть радионуклидов при взаимодействии с почвой довольно быстро переходит из водорастворимой формы в обменную. Затем часть радионуклидов переходит из обменной в необменную форму.

Таблица 10.1.

Соотношение форм радионуклидов 137Cs и 90Sr в почве.

Время взаимодействия	обменная форма	необменная форма	фиксированная форма
1 год 90Sr 137Cs	93% 50%	6% 29%	1% 21%
5 лет 90Sr 137Cs	85% 22%	12% 13%	3% 65%
7 лет 90Sr 137Cs	76% 21%	20% 9%	4% 70%

Формы нахождения радионуклидов в почве определяют дальнейшее поведение их в почвенном покрове и миграцию по почвенному профилю.

7) Наличие живого вещества.

В состав живой фазы почв входят почвенные водоросли, грибы, бактерии, актиномицеты, мезо- и микрофауна, вирусы и фаги. Взаимодействие с радионуклидами почвенных микроорганизмов и неживого органического вещества имеет различия. Микроорганизмы поглощают ионы радионуклидов, включают их в метаболические процессы и после отмирания возвращают их в несвязанном состоянии. Похоже на сорбцию радионуклидов органическим веществом, но есть отличия. Микроорганизмы избирательно поглощают химические соединения и радионуклиды. Поглощение радионуклидов микроорганизмами связано с их развитием (при благоприятных условиях).

8) Определенный вклад в миграцию радионуклидов вносит их передвижение по корневой системе растений. Действие этого фактора во многом определяется количеством и массой корневых систем, и количественно сравнивают с величиной конвективного переноса и диффузией. В случае малого объема и массы корневых систем - не влияют на процессы миграции. По корневой системе растений мигрируют водорастворимые и обменные фракции радионуклидов.

Кроме этого, на миграцию радионуклидов влияет хозяйственная деятельность человека.

9) Диффузия и конвективный перенос.

Формы нахождения радионуклидов в почвах (обменные, необменные и прочно фиксированные), физико-химические свойства почв и агрометеорологические условия влияют на механизм миграции, диффузии в почвенном растворе и твердой фазе почвы и конвективный перенос с током воды при фильтрации через почву атмосферных осадков.

Диффузия радионуклидов в почве - самопроизвольное выравнивание их концентрации в системе при соприкосновении с почвенными частицами путем проникновения молекул одного вещества в другое. Диффузионным путем передвигаются радионуклиды в водорастворимой и обменной форме.

Конвекция радионуклидов в почве - перенос их массы движущимися потоками пара или жидкости. Конвективный перенос важен для тех радионуклидов, которые находятся в почве в водорастворимом и частично в обменном состоянии. Один из факторов, влияющий на миграцию радионуклидов путем конвективного переноса - избыточная влажность.

Все формы радионуклидов в почвах, включая необменные и прочно фиксированные фракции, способны переноситься с коллоидными частицами.

Скорость диффузии зависит от типа почв и их свойств, а также от влажности и температуры почв. Различные радионуклиды в почвах одного и того же типа имеют разную скорость миграции. Величина коэффициента диффузии 137Cs (5,4*10-10 - 5,8*10-8 см2/с) значительно ниже, чем 90Sr (0,4*10-7 - 3,1*10-7 см2/с).

Мероприятия по предотвращению и снижению токсикологического действия радионуклидов и тяжелых металлов направлены на снижение их подвижности в почвах и поступления в растения. К ним относятся известкование кислых почв, внесение органических и минеральных удобрений, внесение мелиорантов - высокоемкостных минералов (искусственных и природных цеолитов), захоронение загрязненного слоя на глубину 40-50 см и др.

Лекция 11: Поступление радиоактивных веществ в растения

Важнейшую роль в проникновении радионуклидов в растения играют два фактора: растворимость (от нее зависит биологическая доступность) и биологическая подвижность соединений, в которые входят радионуклиды. Биологическая подвижность - это способность радионуклида избирательно накапливаться живыми организмами и перемещаться в пищевых цепях. Наибольшей биологической подвижностью обладают биогены - химические элементы, абсолютно необходимые для существования живых организмов и обязательно входящие в состав их тканей. Таких элементов около двадцати: кислород, углерод, водород, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо и др. Высокой биологической подвижностью обладают радиоактивные элементы, химические свойства которых сходны со свойствами биогенов (например, йод, цезий, стронций и др.).

Существуют два пути поступления радиоактивных веществ в растения: корневой и некорневой или аэральный (воздушный).

1. Некорневой путь поступления радиоактивных веществ в растения

Воздушное (аэральное) радиоактивное загрязнение растений происходит в результате выпадения радиоактивных осадков из атмосферы. В стратосферных и тропосферных выпадениях, в осадках от подводных и надводных ядерных взрывов, а также в продуктах аварийных выбросов ядерно-топливных систем радионуклиды находятся в растворимой, доступной для усвоения растениями форме. Среди них встречаются биологически подвижные (129,131I, 14C, 3H, 22Na, 89,90Sr,134,137Cs). Для некоторых из таких радионуклидов внекорневое поступление является основным, как, например, для радиоуглерода (14С), который переходит в растения из углекислого газа в процессе фотосинтеза.

Особенность некорневого пути поступления заключается в том, что при непосредственном оседании радиоактивных частиц из различных слоев атмосферы происходит загрязнение наземной массы растений всеми выпавшими радионуклидами. Дальнейшая миграция радиоактивных аэрозолей, выпавших из атмосферы на поверхность Земли, зависит от их физико-химических свойств.

Радиоактивные частицы, выпадающие из атмосферы, не полностью задерживаются на растениях. Часть их оседает на поверхности почвы, минуя растения. Степень удержания радиоактивных веществ на растениях характеризуется величиной первичного удержания.

Первичное удержание - это отношение количества осевших на растения радионуклидных частиц к общему их количеству, выпавшему из атмосферы на данную площадь. Коэффициент первичного удержания определяется соотношением плотности выпадений (количество радиоактивности выпавшей на единице площади - Ап) и плотностью радиоактивного загрязнения растительной массы (Ар).

К=Ар/Ап

Первичное удержание радиоактивных частиц надземной растительной массой варьирует от нескольких % до 95%. Удерживающая способность растительного покрова зависит от плотности растительного покрова, морфологии растений, размеров и агрегатного состояния радиоактивных частиц, метеорологических условий в момент выпадения радиоактивных осадков. Установлено наличие тесной зависимости между урожайностью надземной массы и величиной первичного удержания радиоактивных осадков растительностью.

В процессах первичного взаимодействия радионуклидных аэрозолей с поверхностью растений большое значение имеют их физико-химические свойства и дисперсность.

Так, первичное удержание водорастворимых форм радиоактивных веществ, выпадающих в виде дождя, в 4-7 раз выше, чем удержание твердых радиоактивных нерастворимых частиц, размером 30-70 мкм. С увеличением размера частиц уменьшается их удержание растениями.

Попавшие на поверхность растений радионуклиды слабо закрепляются. Сразу после их осаждения происходит снижение уровня загрязнения растений. Удаление радионуклидных осадков с поверхности растений идет по следующим причинам:

1. воздействие внешних факторов (ветер, осадки);

2. радиоактивный распад короткоживущих изотопов;

3. в результате биологических процессов, связанных с ростом и развитием растений (увеличение биомассы, опад отмерших частей, загрязненных органов растений).

Снижение радиоактивности растений обусловленное 1 и 3 факторами называется полевыми потерями. Скорость удаления радиоактивных веществ с поверхности растений выражают периодом полупотерь - это время, в течение которого количество активности на поверхности растений уменьшается на 50%. Период полупотерь, как и в целом, полевые потери, определяется физико-химическими свойствами радионуклидов, биологическими особенностями растений и метеорологическими факторами. Максимальное снижение активности при аэрозольном загрязнении растений - первые 2-3 суток. Для более мелких частиц - больше, чем для крупных.

После первых 7 суток влияние (1) на потери радиоактивных частиц незначительны, полевые потери за этот период составляют 70-90% от общего количества. Радиоактивные осадки, выпавшие в виде твердых оплавленных частиц, удаляются быстрее, чем аэрозольные формы радионуклидов. Общим законом является то, что величина радиоактивного загрязнения растений и скорость полевых потерь с течением времени снижается.

Характер процесса потерь радионуклидов, задержанных растительностью, довольно сложен. Практически существует две фракции радионуклидов, сорбированных растениями, которые существенно отличаются прочностью фиксации. Наиболее быстро теряется та часть радионуклидов, которая остается в свободном, несвязанном, состоянии на поверхности кутикулы (кутикула - бесцветная пленка бесструктурного вещества, непроницаемую ни для воды, ни для газов). Именно за счет скорости потери этой фракции в основном и определяется первый период полупотерь. Затем начинается потеря более прочно закрепленной части радионуклидов. Процесс потерь фиксированных радионуклидов в основном определяется их физико-химическими свойствами и биологическими особенностями растений.

Радиоактивные вещества, выпавшие на поверхность почвы из атмосферы и осевшие с поверхности растений, могут служить существенным источником повторного механического их загрязнения уже после прекращения выпадения радиоактивных осадков. Загрязнение растений радиоактивной пылью происходит при поднятии ее с поверхности земли ветром, пасущимися животными, при разбрызгивании каплями дождя и обработке или уборке урожая сельскохозяйственными машинами [Анненков Б.Н., 1991].

Высокой подвижностью в растениях обладают радионуклиды Cs, I и Th, низкой - радионуклиды Sr, Ce и Ва. Через листья в растения проникает от 20% до 60% 137Cs, а 90Sr - всего лишь сотые доли процента [Радиобиология / Белов А.Д. и др., 1999]. Естественный травостой удерживает 30-40% выпавшего количества гамма-излучающих нуклидов и около 30% 137Cs. Сеяные многолетние травы удерживают соответственно 20-40% и 7-15%.

Большая часть 90Sr, выпавшего из атмосферы, концентрируется в месте оседания, внутри растения он "малоподвижен". Поэтому концентрация этого радионуклида во внешних листьях капусты может в 5-6 раз превышать концентрацию в самом кочане, а в ботве картофеля она может быть в 80 раз выше, чем в клубнях. Зерно сельскохозяйственных культур с закрытыми семенами (горох, кукуруза) при выпадениях 90Sr из атмосферы на поверхность растений практически не загрязняется.

В то же время аэральное загрязнение некоторых сельскохозяйственных растений аэрозолями 90Sr и 137Сs весьма опасно. Это практически все ягоды, фрукты, овощные культуры, товарная часть продукции которых не защищена (капуста, томаты, огурцы…).

137 Cs загрязняет урожай не только механически, но, как аналог калия, включается в метаболизм, передвигается в растения, накапливается в урожае.

131I очень активно перемещается по растению. Попадая в организм человека и сельскохозяйственных животных, он накапливается в щитовидной железе, которая постоянно производит йодсодержащие гормоны и концентрирует в себе йод, в том числе и радиоактивный. Довольно много йода концентрируется в молоке, вместе с которым он может попадать в организм человека. Из-за высокой активности 131I очень опасен. Однако вследствие короткого периода полураспада (около 8 суток) его содержание в почве, растительности, кормах, животных и сельско-хояйственной продукции очень быстро снижается.

Радионуклиды эффективнее проникают в растения при мокрых выпадениях, так как при высокой влажности устьица растений открываются, причем через устьица проникают не только биологически активные нуклиды. По той же причине при сухих выпадениях эффективность перехода радиоактивных веществ в растения значительно возрастает после дождя.

Большое значение в накоплении растениями радионуклидов имеет фаза вегетации. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие.

Накопление радионуклидов зависит и от возраста растений, так как старые стебли и листья дольше подвергались действию выпадений. Поэтому регулярно поедаемая скотом и возобновляющаяся трава пастбищ менее активна, чем нетронутый травостой.

С накоплением радионуклидов в течение нескольких лет связана и более высокая радиоактивность хвои, чем листвы листопадных деревьев средней полосы.

Существуют и заметные различия в способности адсорбировать радионуклиды на поверхности растений. Связано это с морфофизиологическими особенностями покровов. Чем больше на листьях волосков, четче выражено жилкование, рассеченность и рельеф поверхности, тем больше задерживается на них радионуклидов. Чем выше гидрофобность поверхности, тем меньше на нем задерживается влага с растворенными в ней нуклидами. Так, активность листьев картофельной и свекловичной ботвы, которые легко смачиваются, выше активности плохо смачиваемых листьев белокочанной капусты или красного клевера.

При некорневом загрязнении растительности радионуклидами переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как правило выше, чем при корневом поступлении.

2. Корневой путь поступления радиоактивных веществ в растения

Почва является мощным "фильтром", задерживающим значительные количества радионуклидов. Эта ее особенность связана со свойством почвенных частиц, особенно глинистых и гумусовых, адсорбировать на себе радиоактивные вещества, резко снижая их подвижность и вероятность перехода в растения.

Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют коэффициент накопления (КН).

содержание радионуклида в единице массы растений

содержание радионуклида в единице массы почвы

Для большинства радионуклидов коэффициент накопления меньше 1, так как биологически активными среди них являются только 3Н, 40К, 14С, 22 Na. Кроме них, хорошо усваиваются растениями 90Sг - химический аналог кальция, и 137Cs - химический аналог калия. Эти радионуклиды вместе со своими неизотопными носителями избирательно поглощаются организмами из окружающей среды.

а) Влияние особенностей почв района выпадений на накопление радионуклидов растениями

Различные типы почв обеспечивают значительные различия в поступлении радиоактивных веществ в растения - чем выше адсорбция радионуклида почвой, тем меньше его поступает в растительность.

Адсорбирующая способность почв зависит от их химического состава, кислотности, структуры дисперсности. Роль химического состава проявляется в конкуренции за "право адсорбции" на частицах почвы со стабильными изотопами или химическими аналогами, а от pH зависит растворимость нуклидов. Так, стронций, рубидий и цезий в кислых почвах примерно в 10 раз доступнее для растений, чем в известковых. Черноземы характеризуются высоким содержанием глин и гумуса, которые обладают большой емкостью поглощения радионуклидов, а легкие супеси - низкой емкостью. Накопление радиоактивных веществ растениями равномерно снижается в ряду почв: супеси, дерново-подзолистые, серые лесные, сероземы, каштановые, черноземы (Симак С.В. и др., 1998) .

Большинство искусственных радионуклидов прочно сорбируются почвенным поглощающим комплексом и включается в биологический круговорот в сравнительно небольших количествах. Исключение составляют 65Zn, 90Sr и 90Sr, отличающиеся наибольшей подвижностью в системе «почва - растение». Из большинства типов почв поступление137Cs в растения, как правило, меньше или соизмеримо с поступлением90Sr. Но в определенных почвенно-климатических условиях перенос 137Cs из почв в растения может значительно превосходить перенос 90Sr. На легких по механическому составу песчаных почвах накопление 137Cs растениями в 40 - 50 раз больше, чем 90Sr.

Из растворов поглощение корнями растений радионуклидов происходит в больших количествах, чем из почв. По интенсивности поступления из водных растворов в растения пшеницы радионуклиды располагаются в следующем порядке: 137Cs>90Sr>144Ce>106Ru>95Zr. При этом 90Sr и 137Cs активно перемещаются по всему растению, а 106Ru и 95Zr накапливаются преимущественно в корнях и далее практически не транспортируются. По сравнению с водными растворами поступление радионуклидов в растения из почвы резко уменьшается. Это уменьшение для 90Sr составляет примерно 20 раз, для 137Cs и 144Ce - сотни и даже тысячи раз.

б) Влияние биологических особенностей растений на накопление ими радиоактивных веществ.

Разные виды растений очень сильно различаются по способности накапливать радионуклиды, что, с одной стороны, обусловлено особенностями их физиологии и биохимии, с другой - морфологией растений (общая площадь поверхности листьев, сорбирующая способность покровов, характер распределения корней в почве и т.п.). Кроме того, существуют значительные различия в концентрации радиоактивных веществ в тканях, которые могут различаться по этому показателю в 10-30 раз.

Чем больше в растениях в норме содержится кальция, тем сильнее при недостатке кальция они поглощают из почвы стронций. Аналогичная, хотя и не столь строгая зависимость существует для пары "калий-цезий".

Кроме того, поступление радионуклидов зависит от распределения корневых систем в почве, продуктивности растений, продолжительности вегетационного периода и других биологических особенностей. 90Sr и 137Cs интенсивнее накапливаются бобовыми, чем злаковыми. Травянистые растения большинства других семейств чаще занимают по этому показателю промежуточное положение.

В различных частях растения радионуклиды накапливаются неравномерно, поэтому разные корма, приготовленные из одного вида растения (солома, отруби и зерно, например), содержат неодинаковое их количество. Наиболее интенсивно радионуклиды накапливаются в листьях и стеблях, слабее - в корневой системе, еще меньше их содержится в генеративных органах растений (цветках, плодах, семенах).

После аварии в течение первого сезона вегетации больше всего радионуклидов на единицу сухой массы урожая накапливается в овощах и фруктах с незащищенными плодами и ягодами (капуста, томаты, огурцы, кабачки, яблоки, смородина и т.п.), меньше их в корнеплодах (свекла, морковь), затем идут бобовые с защищенными семенами (горох, соя), за ними картофель. Меньше всего загрязняется товарная продукция зерновых культур. Причем в озимых зерновых радионуклиды накапливаются в 2-2,5 раза меньше, чем в яровых (это связано с более высокой урожайностью).

в) Влияние агротехники на переход радионуклидов в растения

Способы обработки почв и мелиорации сильно влияют на агрохимические и водно-физические свойства почвы, что изменяет интенсивность перехода радионуклидов из почвы в растения.

Так, орошение резко увеличивает скорость этого процесса - в 1,5-3 раза при поверхностных способах полива: напуском, по бороздам, по чекам, и в 100-1000 при дождевании.

На поглощение радионуклидов растительностью влияет и характер их распределения в верхнем слое почвы. Специальные приемы обработки почвы позволяют значительно сократить поступление радиоактивных веществ в растения. В частности, при заглубленной вспашке с фрезерованием без переворота пласта снижается концентрация радиоактивных веществ за счет их более равномерного распределения в почве. При заглубленной вспашке с переворотом пласта происходит захоронение загрязненного почвенного слоя за пределами распространения основной массы корней, что уменьшает поступление радионуклидов в растения примерно в 10 раз.

Значительное снижение радиоактивной загрязненности растительности обеспечивает внесение удобрений. Этот эффект обусловлен улучшением условий питания растений и связанным с этим увеличением биомассы ("эффект разбавления").

Уменьшению поступления 90Sr в растения (до 2-3-кратного) способствует внесение известковых удобрений, что объясняется конкуренцией стронция и кальция при их усвоении корневыми системами, а также уменьшением растворимости (а, следовательно, подвижности и биологической доступности) соединений стронция при повышении рН, вызванном известкованием.

Внесение минеральных азотных удобрений либо не оказывает существенного влияния на усвоение растениями радионуклидов, либо даже увеличивает его. Объясняется это увеличением потребности в калии и, кальции, наличие которых становится лимитирующим фактором, что влечет за собой возрастание поступления в растение их химических аналогов - цезия и стронция.

Добавление в почву чистого органических удобрений в виде навоза, перегноя, низинного торфа уменьшает поступление стронция и цезия в фитомассу в 2-3 раза. Связано это с тем, что органическое вещество почвы обладает способностью сорбировать на себе радионуклиды.

В общем можно сказать, что мероприятия, способствующие повышению плодородия почв и получению максимального урожая, одновременно способствуют уменьшению накопления в растительности радионуклидов.

3. Факторы, влияющие на накопление радионуклидов в растительных кормах и периоды в развитии радиационной ситуации

Важнейшими среди них являются:

*общее количество выпавших радионуклидов;

*состав выпадений (физико-химические свойства выпавших нуклидов);

*особенности почв района выпадений;

*способы агротехники, применяемые в данном районе

*видовые и сортовые особенности растения

При радиационной аварии в агропромышленном комплексе выделяют несколько периодов в развитии радиационной ситуации.

Первый период - период йодной опасности. Он наблюдается сразу после выброса радионуклидов в атмосферу. Вследствие короткого периода полураспада изотопов йода этот период непродолжителен и завершается в течение нескольких месяцев. При поедании животными загрязненных йодом кормов происходит его интенсивный переход в молоко и мясо.

Второй период начинается после распада короткоживущих радионуклидов и сопровождается преимущественно некорневым загрязнением кормовых угодий. Заканчивается этот период с завершением первого послерадиационного срока вегетации растений.

Третий период радиоэкологической ситуации в агропромышленном комплексе начинается со второго срока вегетации растений после радиационных выпадений. В этот период основным путем поступления радионуклидов в растения является корневой. Продолжительность периода может быть несколько десятков лет, если в составе аварийных выбросов присутствует большое количество долгоживущих изотопов 137Cs, 90Sr и 239Pu и др. [Белов А.Д. и др., 1999]

4. Миграция радионуклидов в травяных и лесных экосистемах

Большинство искусственных радиоизотопов прочно сорбируются почвенным поглощающим комплексом, поэтому эффективно включаются в биологический круговорот только цинк, стронций и цезий, а так как 65Zn образуется обычно в небольших количествах, то практическое значение имеют в основном два изотопа: 90Sr и 137Сs.

Особенности накопления, миграции, почвенной адсорбции радионуклидов, видового состава и продуктивности растительности пастбищных экосистем обусловливают существенные различия между ними по накоплению радионуклидов в пастбищной растительности и их переходу в организм сельскохозяйственных животных.

Наиболее безопасными в районах радиоактивного заражения являются окультуренные пастбища. Этому способствует то, что на них производится комплекс агротехнических мероприятий, таких, как обработка почвы, при которой радионуклиды распределяются в поверхностном слое и лучше закрепляются на измельченных частицах почвы; удобрение и известкование, обеспечивающие понижение рН и улучшение адсорбции нуклидов почвенными частицами. Кроме того, весь агротехнический комплекс способствует повышению продуктивности растительности, при этом удельная концентрация радиоактивных веществ в надземной фитомассе уменьшается.

Достаточно быстро снижается концентрация радионуклидов в травостое заливных лугов. С одной стороны, повышенная влажность почвы на них способствует большей растворимости и подвижности радионуклидов и их переходу в растения. С другой - этому противостоит большая продуктивность растительности и высокие темпы оборота органического вещества - большая часть органики заливных лугов ежегодно перегнивает и нуклиды, входящие в ее состав, переходят в почву и в значительной мере исключаются из биологического круговорота.

Опаснее в подобной ситуации проводить выпас на суходольных пастбищах. Здесь ежегодно до 60-80% органики может не утилизироваться, оставаясь на поверхности в виде ветоши, которая тоже способна адсорбировать радионуклиды, но при этом они остаются доступными для сельскохозяйственных и диких животных.

Важную роль играет также продуктивность пастбища и степень сомкнутости травостоя. Это связано с тем, что сельскохозяйственные животные во время выпаса заглатывают частицы почвы, содержащей связанные радионуклиды. Так, за сезон через желудок коровы в лесостепной зоне проходит порядка 600 кг почвы, через желудок овцы или козы - 70-80 кг. Чем беднее пастбище, тем ниже приходится животным скусывать растения и тем больше нуклидов попадает им в желудочно-кишечный тракт.

Для снижения опасности вовлечения радионуклидов в животноводческие пищевые цепи применяют скашивание трав в течение двух недель после разового выпадения с их последующей уборкой и захоронением.

Радиоактивное загрязнение лесных фитоценозов.

При попадании радиоактивных веществ на территории лесных массивов значительная часть радионуклидов опускается и задерживается кронами деревьев, осаждается на листьях, хвое и коре, другая их часть попадает под полог деревьев в травяной покров, лесную подстилку и почву. Доля радионуклидов, задерживающихся в пологе леса, варьирует в зависимости от состава, сомкнутости, формы и фазы вегетации древесной растительности. На опушке леса с наветренной стороны до 50 м в глубь леса их задерживается 2-10 раз больше, чем в лесных массивах. Плотность радиоактивного загрязнения в наветренных опушках иногда в 30 раз выше, чем на открытых территориях.

В наземной части древесно-кустарниковой растительности при внешнем загрязнении радионуклиды частично проникают в их внутренние ткани. В результате через год после выпадения радиоактивных веществ доля их в кронах, особенно в лиственных насаждениях, снижается в несколько раз. Соответственно возрастает загрязненность лесной подстилки и почвы. На глубине до 5 см сосредоточивается более 90% радионуклидов. В хвойных лесах самоочищение происходит медленнее. Обычно на это требуется 3-4 года.

Перемещаясь в лесной подстилке и почве, радионуклиды ими прочно фиксируются. Обычно они проникают до глубины 10 см. В последующем лес надежно предотвращает перенос радионуклидов с водой и ветром, способствуя тем самым стабилизации радиоэкологической обстановки на загрязненных землях. Однако со временем в загрязненном лесу усиливается процесс корневого поступления радионуклидов в лесную растительность. Так, через 6 лет после чернобыльских выпадений содержание радионуклидов в древесине возросло в 5 - 15 раз. Поступление радионуклидов в древесную растительность из почвы зависит от ряда факторов: физико-химических свойств радионуклидов, биологических особенностей древесных пород и условий их произрастания (Е.С. Мурахтанов).

Лекция 12: Поступление радиоактивных веществ в организм сельскохозяйственных животных

1. Факторы, определяющие степень поражения организма животных

На организмы сельскохозяйственных животных воздействует ионизирующая радиация из внешних и внутренних источников. Источниками внешнего облучения являются радионуклиды, распределенные в различных компонентах окружающей среды (приземном слое атмосферы, почве, растительности, подстилке, жилых и производственных сооружениях и т.д., а также осевшие на шерсть и кожу). Источниками внутреннего облучения служат радионуклиды, инкорпорированные (включенные) в различные части тела, органы и ткани животных.

Основными факторами, определяющими степень поражения, являются: уровень загрязнения (количество выброшенных или выпавших радионуклидов), характер распределения загрязняющих веществ в окружающей среде, степень сродства элементного состава нуклидов к живому веществу и вид возникающих внешних и внутренних излучений.

2. Пути поступления радиоактивных веществ в организм животных

Существует три пути поступления радиоактивных веществ в организм: с кормом и водой через пищеварительный тракт, с воздухом через дыхательную систему и через кожные покровы.

Продукция животноводства является одним из основных источников поступления радиоактивных веществ в организм человека. Так, по данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, во многих регионах молоко является главным источником поступления в организм 131 I (до 70-90%), мясо и мясопродукты - 137Сs (до 60-80%), с мясом и молоком в организм поступает до 40-60% от общего поступления 90Sr.

Хотя радионуклиды могут поступать в организм тремя путями: через желудочно-кишечный тракт, через органы дыхания и через кожу, основным путем их проникновения является пероральный (от 96 до 100%), поэтому мы рассмотрим преимущественно его. При этом необходимо учитывать, что пероральное поступление с водой играет второстепенную роль из-за слабой растворимости большинства соединений, в которые входят радионуклиды.

Соотношение значимости различных путей поступления радионуклидов в организм животных примерно следующее: желудочно-кишечный тракт - 1000; органы дыхания - 1; кожа - 0,0001.

При попадании нуклидосодержащих пылевых частиц в дыхательные пути основная их часть не доходит до альвеол, задерживаясь слизью мерцательного эпителия и движением его ресничек выводится в носоглотку. Впоследствии большая часть этой слизи заглатывается животными и попадает в желудочно-кишечный тракт.

Пищевой цепью называется перенос питательных веществ (энергии пищи) между трофическими уровнями.

Для количественного описания перемещения радиоактивных веществ по пищевым цепям используются различные коэффициенты, в частности:

Коэффициент накопления/дискриминации (КН/КД) - отношение содержания нуклида в единице массы организма к содержанию этого же нуклида в единице массы организмов предыдущего трофического уровня (для сельскохозяйственных пастбищных животных - в травяной растительности).

При длительном (хроническом) поступлении радиоактивных веществ применяют специальный коэффициент, который носит название кратность накопления (F). Он представляет собой отношение содержания радионуклида в органе или ткани (С) к ежесуточному поступлению этого нуклида в организм (F).

F=CM/Q

где С - концентрация радионуклида в органе или ткани, Бк/кг;

М - масса органа или ткани, г;

F - количество радионуклида, поступающего в организм животных ежедневно, Бк.

3. Всасывание радионуклидов в желудочно-кишечном тракте

Важнейшую роль в пероральном поступлении играет механизм всасывания нуклидов в желудочно-кишечном тракте. Основным местом их всасывания у свиней является желудок, а у крупного рогатого скота, овец и коз - рубец, книжка и тонкий кишечник. При этом скорость и эффективность резорбции нуклидов у свиней с их однокамерным желудком выше, чем в четырехкамерных желудках жвачных.

По величине резорбции в желудочно-кишечном тракте сельскохозяйственных животных радиоизотопы могут быть расположены в ряд: йод, цезий, кальций, стронций, цинк, кобальт, железо, марганец, барий, рутений, цирконий, церий, иттрий, плутоний.

131I>137Cs>45Ca>89.90Sr>б5Zn>60Со>59Fe,54Мn>140Ва>106Ru>95Zr>144Се>90Y>239Pu

Для оценки биологической подвижности радионуклида используют коэффициент всасывания:

fВС=А/В100%

где А - количество перешедших в кровь радионуклидов, Бк;

В - количество радионуклидов, поступивших с суточным рационом, Бк.

Все элементы I (щелочные) и VII (галогены) основных групп Периодической системы, а также все элементы 1 (Н) и 2 (Li, В, С, N, О, F) периодов, за исключением Ве и инертных газов, почти полностью всасываются в желудочно-кишечном тракте. Слабее, хотя и достаточно хорошо всасываются элементы II главной группы (Мg, Са, Sr, Ва, Rа). Элементы всех других групп, за немногими исключениями, всасываются весьма плохо.

Существует высокая изменчивость поступления радиоизотопов в организм в зависимости от вида и возраста животного. У моногастричных животных и птиц коэффициенты всасывания значительно выше, чем у жвачных. Например, взрослые коровы, овцы, козы, свиньи и куры усваивают соответственно 8, 7, 6, 19 и 59% радиостронция и 60, 57, 69, 100 и 67% радиоцезия.

Молодые особи усваивают радионуклиды интенсивнее, чем взрослые. Кроме того, фиксация нуклидов в организме у них происходит полнее. Уменьшение всасываемости радионуклидов в желудочно-кишечном тракте связано с меньшей потребностью взрослого организма в минеральных веществах, а также ухудшением проницаемости мембран кишечной стенки.

4. Распределение и метаболизм радиоактивных веществ в организме

Всосавшиеся в желудочно-кишечном тракте радионуклиды разносятся кровью по всем органам и тканям. Распределение нуклидов по органам и тканям тесно связано с их природой и ритмом поступления в организм. Щелочноземельные радиоизотопы (7Ве, 45Са, 90Sr, 140Ва, 140Ra) концентрируются в минеральном компоненте костной ткани, редкоземельные (48V ванадий, 75Se селен, 76As мышьяк, 125Sb сурьма , 238Uуран) - в печени и ретикулоэндотелии, йод - в щитовидной железе, а 137Сs, щелочные металлы, тритий и радиоуглерод распределяются в организме более равномерно.

При длительном поступлении радионуклидов в организм их концентрация в органах может быть значительно выше, чем при разовом (до 30-50 раз). В условиях длительного поступления рано или поздно наступает момент, когда уровень поступления изотопа оказывается равен его выведению. Для 90 Sr такое равновесное состояние наступает на 5-7 сутки у крупного и мелкого рогатого скота и на 30-90 сутки у свиней и кур. Для 137 Cs оно наступает позднее: у овец и коз к 105 суткам, у крупного рогатого скота - к 150 суткам с начала поступления.

Накопление радиостронция в организме животных при его хроническом поступлении зависит от состояния кальциевого обмена. При дефиците кальция его место занимает стронций. Насыщение кальцием дефицитного по этому элементу рациона позволяет уменьшить поступление 90 Sr в организм в 2-4 раза. Однако этот эффект достигается лишь в том случае, если кальция до этого в кормах явно не хватало.

Сходная зависимость характерна для метаболизма радиоцезия. Так, известно, что у животных, таких, как КРС, козы и овцы, питающихся грубыми и сочными кормами, богатыми калием, химическим аналогом которого является Сs, коэффициенты накопления в организме 137Сs значительно меньше, чем у кур, свиней, собак и человека.

5. Выведение радионуклидов из организма животных

Радионуклиды, поступившие в организм, выводятся через желудочно-кишечный тракт, почки, легкие, кожу и молочную железу. К этим путям можно добавить выведение радионуклидов с плодом при родах и с яйцом у кур-несушек.

Ведущим путем выведения для большинства радиоизотопов является желудочно-кишечный тракт. Помимо выведения с экскрементами не всосавшихся в ЖКТ радионуклидов, этим путем выделяются и экскретирующиеся через стенки желудка и кишечника стронций, рубидий и другие изотопы. Изотопы йода и цезия экскретируются из организма преимущественно через почки. При этом существуют видовые, возрастные и физиологические особенности выведения разных нуклидов. Например, 137Сs у жвачных выводится преимущественно через желудочно-кишечный тракт, а у свиней - с мочой. Лактирующие коровы через молочную железу выводят всего лишь 3.2% 131 I, в то время как овцы и козы - 20.5 и 40%.

Выведение радиоизотопов из организма сельскохозяйственных животных с молоком имеет большое практическое значение, так как молоко и молочные продукты являются важными источниками поступления радионуклидов в организм человека. По степени перехода радионуклидов в молоко радиоизотопы образуют ряд: 131I > 45Ca > 137Cs > 90Sr >99Mb > 106Ru > 140Ba > 144Ce. При этом интенсивность выведения того или иного изотопа существенно колеблется и определяется в основном формами, в которых он находится в организме.

...