Метод оцінки радіоекологічного стану водних екосистем за вмістом радіонуклідів у гідробіонтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод оцінки радіоекологічного стану водних екосистем за вмістом радіонуклідів у гідробіонтах

О.М. Волкова, В.В. Беляєв, О.Є. Каглян

Анотація

Волкова О. М., Беляєв В. В., Каглян О. Є.

Метод оцінки радіоекологічного стану водних екосистем за вмістом радіонуклідів у гідробіонтах

Проаналізовано особливості накопичення ¹³⁷Cs вищими водяними рослинами різних екологічних груп. Встановлено, що рівень нагромадження ¹³⁷Cs зануреними водяними рослинами характеризує вміст радіонукліда у воді за короткий проміжок часу. Ретроспективну оцінку надходження радіонукліда в екосистему можна проводити виходячи із співвідношень вмісту радіонукліда в рослинах різних екологічних груп.

Ключові слова: водна екосистема, вищі водяні рослини, радіонукліди

Annotation

Keywords: aquatic ecosystem, higher aquatic plants, radionuclides

The peculiarities of 137Cs accumulation by higher aquatic plants of different ecological groups have been analyzed. It is determined that the accumulation level of 137Cs by submerged aquatic plants characterizes radionuclide content in water within a short time. Retrospective estimate of radionuclide entering the ecosystem can be made by analyzing the ratio of radionuclide content in plants of different ecological groups.

За загальноприйнятими уявленнями біоіндикаторами радіонуклідного забруднення є організми, які здатні накопичувати радіонукліди в значних кількостях і можуть слугувати показниками забруднення води 1. Але кількість радіонуклідів, накопичених в організмах гідробіонтів до визначеної межі є функцією часу їх знаходження в забрудненому радіонуклідами середовищі, тому в перші після аварійні роки рівні вмісту радіонуклідів в гідробіонтах не завжди відображали їх накопичувальну здатність. Є підстави вважати, що з радіоекологічної точки зору відносно рівноважний стан в екосистемах дніпровських водосховищ встановився приблизно у 1991 р., що проявилося у відновленні характерних для доаварійного періоду коефіцієнтів переходу у трофічних ланцюгах гідробіонтів 2.

У той же час у деяких водоймах центрального і західного Полісся дотепер спостерігаються співвідношення в рівнях нагромадження радіонуклідів гідробіонтами, характерні для дніпровських водоймищ у перші після аварійні місяці 3. У даній роботі ми намагаємось пояснити природу цього явища і визначити можливість використання співвідношень рівнів забруднення гідробіонтів для ретроспективної оцінки надходження радіонуклідів в окремий біоценоз на прикладі вищих водяних рослин.

Матеріали та методи.

У статті використані результати багаторічного радіоекологічного моніторингу водойм України. Визначення питомої радіоактивності води, донних відкладів та гідробіонтів проводили у відділі радіоекології Інституту гідробіології НАН України за загальноприйнятими гамма-спектрометричними та радіохімічними методами 4. Питома активність зависів та донних відкладів розраховували на суху масу, вищих водяних рослин на повітряно-суху масу.

Результати досліджень.

Як свідчать літературні дані, при забрудненні водойм радіонуклідами глобальних випадань за зниженням вмісту ¹³⁷Cs екологічні групи водяних рослин розташовані у такій послідовності: занурені укорінені та не укорінені укорінені занурені з листям, що плаває на поверхні води прибережні повітряно-водяні рослини 5.Таке співвідношення рівнів вмісту ¹³⁷Cs у вищих водяних рослинах різних екологічних груп можна пояснити морфологічними та фізіологічними особливостями. Повітряно-водяні рослини поглинають поживні речовини за допомогою кореневої системи, біомаса якої у багатьох видів перевищує біомасу надземних органів. Більшість представників цієї екологічної групи є багаторічними рослинами та їх надземні органи наприкінці вегетаційного сезону відмирають. Життєдіяльність підземних органів триває довше: у очерета звичайного більше 3 років, лепешняка великого - до 2 років. Коренева система цих рослин складається з товстих кореневищ, що виконують функції запасаючих органів та тонких коренів, функцією яких є поглинання з навколишнього середовища поживних речовин. Разом із поживними речовинами у кореневища надходять і радіонукліди, що призводить до більш високих, порівняно з надземною частиною рослин, їх концентрацій у підземних органах. Занурені не укорінені та укорінені рослини поглинають необхідні для життєдіяльності речовини та радіонукліди усією поверхнею, при цьому коренева система останніх скоріше виконує функцію прикріплення до субстрату. Укорінені занурені рослини з листям, що плаває на поверхні води займають проміжну ланку 6.

Саме таке співвідношення питомої активності ¹³⁷Cs у надземній частині рослин різних екологічних груп ми спостерігаємо на протязі багатьох років у дніпровських водоймищах.

Однак на протязі 3 - 4 років після аварії на Чорнобильській АЕС в рослинах дніпровських водосховищ ми у багатьох випадках відзначали вищі рівні накопичення ¹³⁷Cs у надземній частині повітряно-водних рослин відносно занурених.З часом співвідношення питомої радіоактивності рослин різних екологічних груп змінювалося і приблизно з 1991 р. відповідало характерному для періоду глобальних випадань. Наведено рівні вмісту ¹³⁷Cs у рослинах різних екологічних груп, що були відібрані у ставах на території Народичського на Овруцького районів та у біотопі затоки р. Жерев на території Лугинського району Житомирської області.

З наведених даних видно, що у досліджених водоймах співвідношення питомої радіоактивності рослин різних екологічних груп свідчить про не рівноважний з радіоекологічної точки зору стан екосистеми у цілому. Механізм виникнення таких співвідношень можна пояснити за допомогою простої математичної моделі. Було прийнято, що у модельній системі відбулося підвищення концентрації ¹³⁷Cs у воді у 5 разів і тривало протягом 30 діб. Динаміку вмісту радіонукліда у рослинах розраховували за загальноприйнятою експоненціальною моделлю 7, 8. Для повітряно-водяних рослин було прийнято, що виведення радіонукліда відбувається з двома компонентами (Т₁ = 4,6 діб, Т₂ = 15 діб). Розрахунки базуються на даних експериментів, де було встановлено, що 50 - 80 % нагромаджених радіонуклідів слабко фіксується надземною масою рослин, та період напіввиведення для цієї компоненти становить 1 - 12 діб, а період напіввиведення для більш міцної фракції - від 15 до 100 діб 8. Період напіввиведення ¹³⁷Cs для занурених рослин (Т₁ = 4,6 діб) розраховано нами за експериментальними даним 9. У цієї групи рослин не зафіксовано повільної компоненти виведення. Було прийнято, що коефіцієнт накопичення (Кн) радіонукліда для занурених рослин становить 300, для повітряно-водяних - 200 9. Слід підкреслити, що у даному випадку має значення не абсолютна величина Кн, а співвідношення Кн у рослин різних екологічних груп.

Розраховану динаміку накопичення та виведення ¹³⁷Cs двома екологічними групами вищих водяних рослин.

З рисунку видно, що занурені рослини реагують на підвищення концентрації радіонукліда у воді і досягають граничних рівнів нагромадження швидше, ніж повітряно-водні рослини, але й процеси виведення у занурених рослин відбуваються швидше. Видно, що існує проміжок часу, в який вміст ¹³⁷Cs у повітряно-водяних рослинах буде вищим, ніж в занурених.

Зрозуміло, що тривалість періоду перевищення вмісту радіонукліда у повітряно-водяних рослинах над вмістом у групі занурених рослин залежить від ступені підвищення концентрації радіонукліда у воді. Так, у випадку, що наведений, тривалість цього періоду складає близько 30 діб. Якщо концентрація радіонукліда у воді збільшиться у 2 рази ми не зафіксуємо інверсії рівнів накопичення ¹³⁷Cs досліджуваними групами рослин, у 2,5 рази - можна буде спостерігати тільки короткий період збігу рівнів накопичення. Слід враховувати, що рівноважний стан між концентраціями ¹³⁷Cs у воді та рослинах настає не менш ніж через 3 періоди напіввиведення 7, тому вірогідні результати можна отримати у разі, якщо підвищення концентрації радіонукліда у воді триває не менш за 15 діб.

У природних водоймах на співвідношення рівнів накопичення ¹³⁷Cs рослинами різних екологічних груп вливають ряд чинників, обумовлених особливостями їх життєдіяльності, таких, як зміна генерацій на протязі вегетаційного сезону занурених та накопичення радіонуклідів у кореневій системі багаторічних повітряно-водних рослин 6. У багаторічних рослин, що мають запасаючі органи, наприкінці вегетаційного сезону відбувається відтік живильних речовин, а разом з ними і радіонуклідів, у підземні органи, тобто має місце процес «запам'ятовування» надходжень радіонукліда у водне середовище. У наступний сезон накопичені радіоактивні речовини мігрують у надземну фітомасу рослин, і, якщо концентрація ¹³⁷Cs у воді знову підвищується, відбувається своєрідне накладення нового процесу на той, що мав місце у попередньому сезоні.

Таким чином, якщо рівень нагромадження зануреними водяними рослинами, які вважаються індикаторами радіонуклідного забруднення водяного середовища, характеризує вміст радіонукліда у воді за короткий проміжок часу, то по співвідношеннях вмісту радіонукліда в рослинах різних екологічних груп можна проводити ретроспективну оцінку надходження радіонукліда в екосистему.

Рис.1 Вміст 137Cs у вищих водяних рослинах різних екологічних груп дніпровських водосховищ, 2003 р. (1 - повітряно-водні, 2 - укорінені з плаваючим на поверхні води листям, 3 - занурені укорінені).

біоценоз вода гідробіонт радіохімічний

а б

Рис. 2 Вміст 137Cs у вищих водяних рослинах різних екологічних груп:

а - дніпровські водосховища, 1986 р.; б - водойми Полісся, 1999 - 2001 р. (1 - повітряно-водні, 2 - укорінені з плаваючим на поверхні води листям, 3 - занурені укорінені).

Рис.3 Динаміка вмісту 137Cs у воді та вищих водяних рослинах різних екологічних груп (1 - повітряно-водні, 2 - занурені, 3 - вода ).

Література

1. Кузьменко М.И., Брагинский Л.П., Ковальчук Т.В., Романенко А.В. Гидроэкологический русско-украинско-английский словарь-справочник / Под ред. акад. В.Д. Романенко. - К.: «Демиур», 1999. - 262 с.

2. Романенко В.Д., Кузьменко М.И., Евтушенко Н.Ю. и др. Радиоактивное и химическое загрязнение Днепра и его водохранилищ после аварии на Чернобыльской АЭС.- Киев: Наук. думка, 1992.- 194 с.

3. Кузьменко М.І., Романенко В.Д., Деревець В.В. та інш. Радіонукліди у водних екосистемах України. - Київ: Чорнобильінтерінформ, 2001. - 318 с.

4. Лаврухина А.К., Малышева Т.В., Павлоцкая Ф.И. Радиохимический анализ. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 220 с.

5. Куликов Н.В., Любимова С.А., Флейшман Д.Г. Накопление стронция-90 и цезия-137 пресноводными растениями в экспериментальных условиях и в естественном водоеме // Проблемы радиоэкологии водных организмов. - Свердловск: УНЦ АН СССР. - 1971. - С. 67 - 71.

6. Лукина Н.Ф., Смирнова Н.Н. Физиология высших водных растений. - К.: Наук. думка, 1988. - 188 с.

7. Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Математическое моделирование миграциии радионуклидов в водных экосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 152с.

8. Основы сельскохозяйственной радиологии /Б.С.Пристер, Н.А.Лощилов, О.Ф.Немец, В.А.Поярков. - 2-е изд., переработ. и доп. - К.: Урожай, 1991. -472с.

9. Тимофеева-Ресовская Е.А. Распределение радиоизотопов по основным компонентам пресноводных водоемов //Труды УФ АН СССР. - 1963. Вып. 30. - 78 с.

Размещено на Allbest.ru