WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Депонирование 90sr и 137cs в растительно-торфяных сплавинах водоема-накопителя низкоактивных отходов (на примере водоема в-3 теченского каскада)

На правах рукописи

Меньших Татьяна Борисовна

Депонирование 90Sr и 137Cs

в растительно-торфяных сплавинах

ВОДОЕМА-НАКОПИТЕЛЯ НИЗКОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

(НА ПРИМЕРЕ ВОДОЕМА В-3 ТЕЧЕНСКОГО КАСКАДА)

03.02.08 экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Пермь–2010

Работа выполнена в Центральной заводской лаборатории ФГУП «Производственное объединение «Маяк»», г. Озерск Челябинской области

Научный руководитель: кандидат химических наук, профессор

Ровный Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Мамихин Сергей Витальевич

кандидат химических наук, доцент

Бахирева Ольга Ивановна

Ведущая организация Институт биологии Коми научного центра

Уральского отделения РАН

Защита состоится 10 июня 2010 г. в 13.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственном университете по адресу: 614990,
г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого Совета.

Адрес сайта: http//www.psu.ru

e-mail: novoselova@psu.ru

Факс: (342)237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан 8 мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук, доцент Л.В.Новоселова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования Предприятие ФГУП «ПО «Маяк»» является первым промышленным ядерным объектом России, введенным в эксплуатацию более 60 лет назад. Исторически на предприятии сложилась система обращения с жидкими радиоактивными отходами, предусматривающая их выдержку в водоемах-накопителях. Водоемы-накопители образуют так называемый Теченский каскад водоемов (ТКВ), который оказывает значительное влияние на экологическую обстановку в районе деятельности предприятия. В настоящее время в системе ТКВ накоплено 200 тыс. Ки (7.4·1012 кБк) активности (Слюнчев, 2007).

Особенностью головного водоема ТКВ – В-3 – является наличие большого количества искусственных долгоживущих радионуклидов, в частности 90Sr, 137Cs, 239+240Pu, 241Am и др. (Cleaning…, 2009). До недавнего времени современное состояние данного техногенного водоема оставалось за рамками детального радиоэкологического изучения. Исследователи обращались преимущественно к анализу запасов в таких компонентах, как вода и донные осадки водоема.

Сегодня приходится констатировать почти полное отсутствие специальных исследований размеров накопления радионуклидов в макрофитах данного водоема. Между тем, водная растительность обладает высокой способностью к их аккумуляции. Масштабы формирующихся запасов радионуклидов в ходе развития макрофитов определяются их продуктивностью, способностью к накоплению и влиянием внешних и внутриводоемных факторов среды.

Цель и задачи исследования Проблема изучения депонирования радионуклидов в макрофитах сплавин, представляющих собой естественный компонент водоема, испытывающего заболачивание, каковым является В-3, и состоящих из комплекса водных растений и продуктов биогеохимической переработки их остатков в виде торфяного субстрата, предполагает решение задач определения различных радиоэкологических показателей. Их определение может дать представление о составе радионуклидов, тенденции и направленности процессов их миграции, рассеяния и концентрации в конкретном водоеме.

Поэтому основной целью работы было охарактеризовать роль макрофитов в депонировании двух основных долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs в водоеме-накопителе низкоактивных отходов – В-3. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

  • описание условий произрастания и видового состава и состава формаций макрофитов сплавин водоема В-3;
  • экспериментальное исследование закономерностей поглощения долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs из воды водоема В-3, загрязненного радиоактивными веществами, растительными биоматериалами на основе макрофитов контрольного водоема;
  • изучение накопления 90Sr и 137Cs в различных видах растений и их формациях, представление количественных показателей накопления, сравнение их для стабильных элементов и радионуклидов;
  • выявление характера проявления и моделирование пространственной динамики радионуклидов, а также расчет запасов радионуклидов, связанных с макрофитами сплавин водоема В-3.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Водоем В-3 характеризуется высокой степенью зарастания, сплавинам принадлежит ведущая роль в продуцировании органического вещества.
  2. Высокая способность субстратов водных растений (торфа и сапропеля) контрольного водоема В-1 к сорбции обоих радионуклидов из воды технологического водоема В-3, установленная в лабораторных экспериментах, соотносится с коэффициентом накопления – КН, полученным для субстратов водоема В-3. Из двух изученных радионуклидов лучше сорбируется субстратами 137Cs, чем 90Sr.
  3. Накопление 90Sr и 137Cs в макрофитах сплавин водоема В-3 претерпевает видовую и пространственную изменчивость, обусловленную как индивидуальными свойствами растений, так и экологическими особенностями условий произрастания. В целом для макрофитов водоема отмечается высокая корреляция между 90Sr и Са, 90Sr и Sr и не отмечается для 137Сs и К.
  4. Величина запасов радионуклидов, формирующихся в надземной части макрофитов растительно-торфяных сплавин, зависит от параметров распределения фитомассы и активности радионуклидов. Макрофиты сплавин играют основную роль в накоплении радионуклидов макрофитами водоема В-3.

Научная новизна и практическая значимость работы Впервые проведено изучение накопления двух радиоэкологически значимых радионуклидов – 90Sr и 137Cs – в макрофитах водоема В-3.

Установлены закономерности пространственного распределения макрофитов, включающие составление перечня видов и их сообществ. На основе проведенных исследований определена степень зарастания водоема В-3 и составлена карта-схема зарослей макрофитов.

Получены количественные данные по уровням накопления 90Sr и 137Cs в макрофитах водоема В-3: коэффициенты накопления (КН), построение рядов видов по накоплению каждого отдельного радионуклида. Это позволило установить видовую и связанную с условиями произрастания специфичность биоаккумуляции, а также выявить избирательную способность макрофитов к накоплению двух радионуклидов.

В сочетании с описанием видового состава группировок макрофитов, определением площади зарастания, оценкой фитомассы, информация о показателях накопления использована для оценки как интегральных годичных запасов радионуклидов в составе отдельных формаций и видов растений. Использование долевого соотношения погруженных и полупогруженных видов при оценке распределения их в водоеме позволяет установить запасы радионуклидов для массовых видов макрофитов.

Полученные данные, которые описывают взаимосвязь накопления долгоживущих радионуклидов в макрофитах и других компонентах, позволяют располагать более полной информацией о характере их биогенной миграции в водоеме В-3. Они могут быть использованы при анализе структуры сообществ макрофитов, для детальных исследований по оценке антропогенного воздействия радионуклидного состава вод на макрофиты, для составления краткосрочного прогноза состояния водных экосистем. Разработанные подходы и использованные методы могут найти применение при обосновании скорректированных уровней ПДК радионуклидов для гидробионтов.

Работа выполнена в соответствии с планами НПР: «Изучение радиационной и санитарно-гигиенической обстановки в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения предприятия, разработка и совершенствование системы контроля загрязняющих веществ в объектах окружающей среды»; гос. регистрационный номер № 1-12-06-00-08: за 2005 г. (п.14 «Современная оценка состояния водной растительности водоемов ТКВ и В-2 и определение уровней накопления цезия-137, стронция-90, плутония-239 фитопланктоном и высшей водной растительностью»), 2006 г. (п. 15 «Изучение радионуклидного состава растительно -торфяных сплавин водоема В-3 ТКВ»), 2008 г. (п.15 «Особенности накопления долгоживущих радионуклидов в водных растениях водоема В-3 ТКВ»), 2009 г. (п.17 «Исследование закономерностей аккумуляции долгоживущих радионуклидов растительными ассоциациями водоема В-3 ТКВ: научные и практические аспекты»).

Апробация результатов исследования: Ключевые положения диссертационного исследования были изложены автором в 9 научных публикация. Материалы диссертационной работы представлялись на: научно-практических конференциях, посвященных актуальным экологическим проблемам Южного Урала, Всероссийских и региональных научных конференциях, вторых чтений памяти В.И. Корогодина и
В.А. Шевченко научного общества «Биосфера и человечество» им. Н.В. Тимофеева-Ресовского, III молодежной конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Ярославль, 2007; Дубна, 2009; Озерск, 2006).

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 136 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, шести глав и выводов. Список использованной литературы содержит 178 источников, из них 67 иностранных авторов. Работа иллюстрирована 25 рисунками, в частности одна карта-схема, и 17 таблицами.

Основное содержание диссертации

Во введении дается обоснование актуальности темы исследования, определяются ее содержательные и хронологические рамки; формируются цели, задачи и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Загрязнение водоема В-3 и его компонентов» состоит из двух частей. Сначала коротко затрагиваются характеристика водоема В-3 (рисунок 1), его расположение, морфометрические параметры, заболоченность, зарастание, водный режим, общие показатели водной среды (жесткость, соленость, уровень трофии), некоторые показатели, связанные с жизнедеятельностью водных организмов (концентрация растворенного кислорода, фитопланктона, фитобентоса), а также соответствующая характеристика контрольного водоема В-1 (озера Иртяш). Вторая часть рассматривает историю загрязнения водоема с 1951 г., динамику уровней 90Sr и 137Cs в сбросных водах. Сделан вывод о том, что необходимо тщательное изучение радионуклидов в различных компонентах, в частности, в растительно-торфяных сплавинах, с оценкой вклада каждого вида растительности в общие запасы радионуклидов в макрофитах.

 Расположение водоема В-3 в системе ТКВ Вторая глава-1
Рисунок 1. Расположение водоема В-3 в системе ТКВ

Вторая глава «Загрязнение биоты пресных водоемов радионуклидами» содержит критический анализ литературных данных о роли макрофитов в накоплении 90Sr и 137Cs. На основе анализа относительных запасов радионуклидов в основных компонентах (вода, донные осадки, биота) водоемов, загрязненных радионуклидами (Гудков, 2001, 2002; Wicker, 1990), сделан вывод, что макрофиты, составляя доли процентов по массе водоема, успешно конкурируют с субстратами за поглощение радионуклидов. Они являются активным компонентом водоема, захватывающим 90Sr и 137Cs в воде, мобилизующим их из донных осадков в процессах своего развития и концентрирующим радионуклиды. Рассмотрены механизмы накопления радионуклидов водными макрофитами и методы их изучения. На основе имеющихся литературных данных (Тимофеев-Ресовский, 1960; Куликов, 1971; Левина, 2006; Wicker, 1990) проанализировано варьирование КН радионуклидов в высших водных растениях 17 семейств, а также физиологические особенности макрофитов, способствующие поглощению радионуклидов (Francheschi, Shueren, 1986; Prychid, 1999). Рассмотрены вопросы динамики радионуклидов, связанной с циклами развития макрофитов (Kelly, 1988; Mohrbacher, 1993), факторы, влияющие на накопление 137Cs и 90Sr водными макрофитами, в том числе влияние распределения макрофитов в водоеме (Гудков, 2001, 2002; Whicker, 1990), погрешностей методик определения показателя КН (Blaylock, 1982). Проанализированы биосорбционные методы удаления загрязняющих веществ (Величко, 2002; Бородастов, Ершов; Spasonova, 2006; Balarama, 2004; Mishra, 2007), основы которых были заложены в период становления радиационных исследований (Тимофеева-Ресовская, 1965; Агафонов, Иванов, 1965). На основании проведенного литературного обзора определены основные подходы к решению поставленных задач.

В третьей главе «Материалы и методы исследования» описываются объект исследования, которым служили макрофиты водоема В-3, методики определения их видового состава и биомассы, анализа токсичности вод, сорбции радионуклидов из воды водоема В-3 растительными биоматериалами на основе водных растений и их субстратов, методы определения накопления радионуклидов, методы статистической обработки материала.

Пробы макрофитов, а также их субстратов – донных отложений и воды водоема В-3 отбирали во время кратковременных выездов в период 2004-
2008 гг. В зимне-весенний период описание видового состава, характера зарастания проводили методом маршрутного обследования (Папченков, 2001). Для изучения распределения фитомассы было заложено три профиля, включающие 14 ключевых участков на расстоянии 30 м друг от друга, и отдельно 8 ключевых участков. Во всех сообществах и формациях водных макрофитов проводили описания и укосы надземной фитомассы в трехкратной повторности.

Для характеристики условий произрастания водных макрофитов в водоеме помимо традиционных индексов загрязненности вод определяли токсичность на основе биолюминесцентного анализа с помощью препарата Photobacterium phosphoreum штамм F677. Анализируемыми показателями служили биолюминесцентный индекс (БИ) и уровень биологически безопасного разведения (УББР), определяемые по интенсивности свечения препарата в воде обследуемого водоема по сравнению с таковым в дистиллированной воде. Параллельно определяли соответствующие показатели воды контрольного водоема В-1. Уровень токсичности воды оценивали по следующей шкале (табл. 1).

Таблица 1

Шкала уровней токсичности воды

Показатель Уровень токсичности
БИ УББР
0,8-1,2 0 Норма
<0,8; >1,2 0 Слабая токсичность
0 2-16
0 17-50 Средняя токсичность
0 51-99 Высокая токсичность

Для предварительной оценки экологического состояния водоема В-3 были проведены эксперименты по влиянию внешнего гамма-облучения на препарат. Культуру светящихся бактерий облучали гамма-излучением на установке ЭГО-4 с целью построения зависимости показателей биолюминесценции от дозы внешнего гамма-излучения; установления пороговой дозы, начиная с которой происходит снижение этих показателей ниже значения «нормы», принятой для питьевых водоемов (БИ=0,8). На основании полученных результатов (пороговая доза равна 25 Гр) сделан вывод о том, что в воде обследуемого водоема влияние на препарат оказывает только химический фактор.

Поглотительную способность биоматериалов S, %, на основе 14 макрофитов и их субстратов, отобранных в контрольном водоеме В-1, определяли после высушивания и взаимодействия с водой водоема В-3 в течение трех суток как отношение разности удельных активностей радионуклидов в растворе до и после взаимодействия с биоматериалом к исходной удельной активности радионуклидов в воде водоема В-3.

Определение активности 90Sr и 137Cs в растительных пробах, воде и корнеобитаемом слое донных осадков проводили в лабораторных условиях. После воздушной сушки, растительные пробы при температуре 105 С доводили до абсолютно-сухого состояния. В подготовленных пробах на гамма-спектрометре СГC-200 определяли содержание 137Cs (Цезий-137. Методика…, 2006). Определение активности радионуклида 90Sr проводили по активности его дочернего нуклида 90Y. Радионуклид 90Y выделяли экстракцией моноизооктилметилфосфоновой кислоты (МИОМФК) из растворов, содержащих азотную кислоту. После нанесения осадка на мишени, содержание 90Y и 90Sr определяли на низкофоновом бета-спектрометре БС-1 (Стронций-90. Методика…, 2006). Кроме того, определяли концентрацию отдельных стабильных элементов – Са, К и Sr – методами ионной хроматографии и атомно-абсорбционной спектрометрии.

На ее основе были определены относительные показатели, характеризующие концентрирование радионуклидов в макрофитах по отношению к воде КН, КП (коэффициенты переноса субстрат-корни и корни-листья), КАсуб (коэффициенты аккумуляции (выноса) в субстратах). Обработку результат проводили с помощью пакета статистических программ Excel97.

Для расчета запасов радионуклидов в надземной части макрофитов сплавин водоема учитывали зависимости величин надземной фитомассы и активности радионуклидов от расстояния от берега (удельных запасов радионуклидов).

В первой части главы 4 «Макрофиты сплавин водоема В-3: состав формаций, биомасса, условия произрастания, сорбционные свойства» нами изучалась зависимость от места произрастания структуры и продукционных характеристик макрофитов, которые до сегодняшнего дня оставались малоизученными, т.к. радиационные характеристики воды (как и донных отложений) существенно ограничивают изучение этого водоема. Из результатов исследования известно, что видовой состав насчитывает семь видов: три вида гелофитов – Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. (Тростник обыкновенный), Typha angustifolia L. (Рогоз узколистный) и Typha latifolia L. (Рогоз широколистный), два вида гигрогелофитов – Carex riparia Curt. (Осока береговая) и Thelypteris palustris Schott (L.) A. Gray (Телиптерис болотный) и один вид гигрофитов – Lythrum virgatum L. (Дербенник прутевидный), которые характерны для сплавин (I зона); один вид гидрофитов – Myriophillum spicatum L. (Уруть колосистая), и нитчатая макроводоросль – для центральной части акватории водоема
(II зона).

Для решения поставленных задач проведено районирование акватории по характеру зарастания. Установлено варьирование формаций макрофитов сплавин, встречающихся по различным направлениям. Поэтому водоем был условно разделен на два района: западный А, в котором наблюдались однородные протяженные сплавины, и восточный Б, для которого характерны начальные сплавинные образования, расположенные пятнами. В результате получено, что в условиях водной среды водоема отмечены восемь сообществ макрофитов сплавин, при этом в районе А отмечено четыре встречающихся сообществ формации тростника и формаций рогоза; в районе Б – четыре сообщества рогоза узколистного, тростника, рогоза широколистного и осоки.

Показано, что в целом состав формаций имеет малый набор характерных видов растений. Значительное уменьшение видов идет с востока на запад. На открытой части акватории распространена формация Урути колосистой.

Произведена количественная оценка динамики фитомассы формации тростника вдоль профилей I-III сплавины северного берега, представленной на рис. 2, которая характеризуется ростом в 2-3 раза при удалении от берега в зависимости от длины профиля. Эта тенденция использована при определении полной сырой фитомассы для встречающихся формаций макрофитов, а затем и для всего обследуемого водоема.

 Динамика фито-массы тростника вдоль профилей I-III сплавины-2 Рисунок 2. Динамика фито-массы тростника вдоль профилей I-III сплавины северного берега водоема В-3

Получено, что соотношение фитомассы водных растений сплавин (I зоны) и центральной части (II зоны) зависит от характера преобладающего процесса зарастания. В районе А с протяженными однородными по составу сплавинными берегами почти на порядок величины преобладают растения сплавин. В районе Б с пятнистым характером зарастания они преобладают над настоящими водными растениями центральной части всего в два раза.

Детальный анализ распределения удельной фитомассы всех видов макрофитов и занимаемых ими площадей показал, что полная сырая фитомасса для всего водоема составила 494 т. В то же время, полная фитомасса сильно варьирует, возрастая с востока на запад, от сплавин района Б до сформировавшихся и протяженных – района А; она также зависит от локальных условий, видового состава. Для района А она составила 450 т, для района Б – 44 т. При этом в сообществе с тростником рогоз широколистный составляет более половины фитомассы западного района А. Наиболее продуктивными для формаций сплавин района Б видами являются рогоз узколистный, тростник обыкновенный и дербенник прутевидный, наименее - осока береговая и телиптерис болотный.

Во второй части главы 4 приводятся также результаты анализа токсичности вод водоема В-3 с помощью биолюминесцентного анализа. Получено, что показатель БИ изменялся в период с мая по август от о до 1,21. В то же время, полученные данные свидетельствуют о том, что в период наблюдений не отмечено значений БИ, соответствующих средней (УББР>16) и сильной (УББР>50) токсичности. Анализ тенденций изменения отдельных гидрохимических показателей (pH, концентрации тяжелых металлов), радиационных показателей воды, а также суммарного индекса загрязнения вод (ИЗВ) показал, что они не согласуются с тенденцией изменения показателя БИ. Отмечено, что в данный период сходная динамика изменений отмечена для нитратов, которые выделены как определяющий фактор в общей антропогенной нагрузке на экосистему водоема В-3.

С целью оценки практических возможностей природных органических сорбентов местного происхождения для удаления радионуклидов из загрязненных вод водоема В-3 в модельных условиях изучалась зависимость поглотительной способности растительных биоматериалов по отношению к радионуклидам, , от типа растительности из контрольного водоема В-1 (оз. Иртяш).

В результате проведенных исследований было установлено (глава 4, третья часть), что проверенные нами биоматериалы на основе гелофитов, гидрофитов и их субстратов поглощают радионуклиды в различной степени. Несмотря на то, что видовой состав гидрофитов контрольного водоема В-1 отличался от такового водоема В-3, они имеют более высокие показатели по сравнению с гелофитами. По способности поглощаться биоматериалами радионуклиды можно расположить следующим образом: в растениях (90Sr) > (137Cs), в субстратах – наоборот.

Получено, что оба субстрата водных растений – торф и сапропель – обладают хорошими сорбционными свойствами по отношению к радионуклидам. Как правило, из двух изученных радионуклидов лучше сорбируется субстратами 137Cs, чем 90Sr: показатель поглотительной способности в субстратах макрофитов сплавин и центральной части превышает таковой в растениях и достигает значений 82,7 % и 98,3 % и 80,1 % и 95,7 %, соответственно.

Кинетические кривые сорбции показали быстрый рост и последующее относительное постоянство показателя . В этом опыте для определения кинетики сорбции радионуклидов биоматериал отфильтровывали через 15, 30, 60 или 120 мин. Проведены две серии опыта с двумя субстратами – тростниковым торфом и урутевым сапропелем, каждая в трехкратной повторности. По виду кинетических кривых можно говорить о том, что в системе «субстрат - раствор радионуклидов» достаточно быстро устанавливается равновесное состояние. Так, начальный участок кривой, соответствующий периоду возрастания сорбции, длится около 10 мин. Дальнейший анализ этих данных показал, что кривые изменения во времени показателя сорбции 90Sr и 137Cs идентичны для двух изученных субстратов. Это касается также незначительного снижения показателя в последней точке – при времени сорбции
120 мин. Поэтому можно считать, что на протяжении всего последующего периода времени показатель практически не изменяется. Участок кривой – плато – соответствует стабильному состоянию взаимосвязи радионуклидов с сорбентом.

Таким образом, лабораторными экспериментами установлена наиболее высокая способность субстратов водных растений (торфа и сапропеля) к сорбции обоих радионуклидов из воды технологического водоема В-3, и по эффективности они часто не уступают хорошо известным сорбентам.

В главе 5 «Особенности накопления 90Sr и 137Cs в макрофитах водоема В-3» изучен переход радионуклидов в водные растения наряду с их видовым составом, который определяется количеством значимых аналогов в звеньях биологического круговорота. На данном этапе работы для сравнительного изучения накопления нами в 2007 г. получена выборка данных по оценке радионуклидов, макроэлементов К, Са, микроэлемента Sr и суммы зольных элементов. Установлено, что КН радионуклидов составили близкие по порядку величины – от 20 до 1790 по 90Sr и от 40 до 1370 – по 137Cs. Таким образом, показано, что водные растения накапливают радионуклиды в количестве, в десятки и тысячи раз превышающем их содержание в воде.

Выявлены закономерности накопления в зависимости от радионуклида. Получено, что между 90Sr, 137Cs и их стабильными аналогами наблюдается соотношение средних в пользу стабильных элементов: Са(630)>Sr(160)>радиостронций (75); К(3020)>
радиоцезий(400). Прослеживание связей между КН 90Sr и стабильных элементов (Са и Sr) показывает хорошую корреляцию ((r=0,88 и 0.99 соответственно, при r005=0,48, n=17). Однако между КН радиоцезия и калия однозначной корреляции не получилось (r=–0.08 при r005=0,48, n=17), что можно объяснить вариабельностью показателей из-за высокой подвижности радионуклида и неполной идентичности свойств этих элементов в растениях.

Нами изучались пространственные закономерности накопления радионуклидов в тростнике растительно-торфяной сплавины водоема В-3. Получено, что с расстоянием от берега вдоль профилей наблюдается резкое увеличение показателей накопления 137Cs в надземных частях тростника сплавины (стебле, листьях и метелках) (рис. 3). Увеличение показателей, видимо, связано с уменьшением мощности торфяного слоя, поскольку в этом случае корни макрофитов располагаются преимущественно в торфе, который выполняет буферную роль.

 Распределение 137Cs и 90Sr в надземных частях тростника вдоль-8 Рисунок 3. Распределение 137Cs и 90Sr в надземных частях тростника вдоль профиля II сплавины северного берега водоема В-3 (расположение 1-6 точек профиля см. на рис. 2, март 2006 г.)

Пространственное распределение в тростнике сплавин другого радионуклида 90Sr менялось менее значительно, т.е. расстояние от берега в меньшей степени сказывается на его накоплении: 90Sr – эквитропный радионуклид, который равномерно распределяется между компонентами водоема (Поликарпов, 1968).

Все сказанное позволяет сделать вывод, что впервые изучено пространственное распределение в тростнике сплавины 90Sr и 137Cs, которое характеризуется различным характером изменения абсолютного показателя – удельной активности радионуклидов вдоль профилей сплавины.

Нами изучалось также влияние видовых особенностей других макрофитов, отобранных на восточном берегу, на границе сплавины и открытой части акватории, на накопление радионуклидов (рис. 4) Статистические оценки распределения радионуклидов получены в виде средних величин, а также доверительных интервалов КН. Сравнение средних методом однофакторного дисперсионного анализа показало их различие (F= 44.1 и F= 19.8 для 137Cs и 90Sr, соответственно, при р<0.05). В фитомассе всех видов макрофитов 90Sr и 137Cs активно накапливаются с разбросом, обусловленным индивидуальными свойствами растения.

Макрофиты сплавин характеризовались на порядок меньшими значениями КН 90Sr и 137Cs, чем водные растения центральной части водоема. Возможно, это связано с тем, что первые являются укореняющимися водными растениями, они поглощают питательные вещества не только из воды, но и из донных осадков. Вторые же поглощают радионуклиды преимущественно из воды.

 КНЛ 90Sr и 137Cs в листьях макрофитов водоема В-3 в краевой-9 Рисунок 4. КНЛ 90Sr и 137Cs в листьях макрофитов водоема В-3 в краевой части I зоны и II зоне (средние и доверительные интервалы) Условные обозначения для I зоны: О – осока, Тр – тростник, Тп – телиптерис, РУ – рогоз узколистный, Д – дербенник, РШ – рогоз широколистный, С1 – торф; для II зоны: М – макроводо-росль, У – уруть, С2 – сапро-пель. – граница I и II зон

Таким образом, исследование распределения радионуклидов в макрофитах водоема В-3 показало их значительную дифференциацию в зависимости от вида радионуклидов (90Sr, 137Cs), пространственного расположения макрофитов и гидроморфности, которая отражает особенности условий их существования.

В главе 6 «Биоаккумулирующие свойства макрофитов сплавин водоема В-3» исследования накопления радионуклидов в листьях растений дополняются детальными данными, отражающими показатели переноса в системе субстраты-корни-листья. Это позволило получить сопоставимые показатели в виде отношений корни/листья и субстрат/корни для тех же видов. Было показано, что диапазоны показателя корни/листья составляют от 0.85 до 60.0 и от 0.45 до 5.0, для 137Cs и 90Sr, соответственно. Максимальные отношения приходятся на телиптерис и рогоз узколистный, минимальные – на рогоз узколистный и телиптерис, соответственно, для 90Sr и 137Cs.

Почти у всех макрофитов сплавин отношение корни/листья для 90Sr ниже, чем для 137Cs. Объяснить противоположную закономерность для 90Sr можно спецификой механизмов накопления этого радионуклида, что согласуется с литературными данными для цветковых растений, какими являются исследованные макрофиты. Исключение представляет телиптерис, относящийся к папоротниковым, который также имел обратное соотношение для 137Cs. Анализ имеющихся данных показал, что по сравнению с другими органами растения больше всего радионуклидов на единицу массы сухого вещества содержится в корнях. Исключение в этом отношении составляет 90Sr, большая удельная активность которого в рогозах широколистном и узколистном на единицу массы сухого вещества наблюдается в листьях, чем в корнях. Можно предположить, что минимальные значения данного показателя для 90Sr у рогоза широколистного и узколистного связаны с их способностью аккумулировать Ca, а одновременно с ним и Sr, в кристаллах оксалатов.

Для макрофита центральной части – урути – характерны сравнительно невысокие показатели корни/листья для обоих радионуклидов. В этом случае они заметно ближе к 1 (1,40 и 1,00, для 137Cs и 90Sr, соответственно), так как погруженные растения способны поглощать радионуклиды не только корневой системой, но и облиственными побегами. Следует заключить, что у макрофита центральной части при незначительном разбросе среднее значение отношения корни/листья находится в пределах 1. Это означает, что в среднем его листья и корни имеют одинаковую удельную активность.

Применение расчетных методов позволяет более глубоко проанализировать особенности накопления радионуклидов в макрофитах разного местоположения и разных видов, что представляет практический и теоретический интерес. На основании полученных результатов в виде материалов картирования макрофитов, определения фитомассы и пространственного распределения радионуклидов мы оценили удельные и абсолютные запасы 90Sr и 137Cs (Z) в составе фитомассы макрофитов водоема В-3. Нами установлена линейная зависимость удельных запасов обоих радионуклидов в фитомассе от расстояния от берега в виде модельных уравнений у=45.1х–41.3 для 137Cs и у=17.7х+20.5 для 90Sr с коэффициентами детерминации R2 = 0.99 и R2 = 0.87, соответственно. Таким образом, результаты исследований подтвердили целесообразность учета характера распределения радионуклидов по сплавине и его использование для интерполяции и экстраполяции при оценке абсолютных запасов радионуклидов в макрофитах сплавин водоема В-3.

Приближенно можно выделить четыре участка по водоему В-3 с разбиением на зоны (сплавины, центральная часть) и районы (А, Б), в которых эти функции применимы. Участки выделены как по факторам, влияющим на процесс накопления, так и по признакам, свидетельствующим об определенных сложившихся условиях. Выбор оптимального числа участков, различающихся по надежности получаемых результатов, определялся, с одной стороны, стремлением более подробного разбиения обследуемого водоема, а, с другой стороны, наличием эмпирического материала, достаточного для выявления закономерностей накопления на этих участках. Диаграммы абсолютных запасов радионуклидов в сообществах (формациях) макрофитов сплавин и центральной части водоема были нами построены с корректировкой на видоспецифичность, тип формации и занимаемую ими площадь на основе средних величин для разных типов формаций.

В диссертации проанализированы все сообщества (формации) макрофитов сплавин водоема В-3, абсолютные запасы в которых изменяются от 4.52Е+5 и 2.6Е+4 до более 1.7Е+7 и 6Е+7 кБк для 137Cs и 90Sr, соответственно. Большая часть этих изменений лежит в пределах двух порядков величин. В формации рогоза широколистного абсолютные запасы в несколько раз меньше, чем в формации тростника. Максимальные абсолютные запасы обоих радионуклидов содержатся в формации тростника, в то время как суммарные запасы составили 2.16Е+7 и 7.89Е+7 кБк для 137Cs и 90Sr, соответственно. Таким образом, сплавины характеризуются высокими абсолютными запасами и являются депо захоронения радионуклидов.

Показано, что абсолютные запасы радионуклидов в сообществе (формации) макрофитов центральной части водоема значительно меньше. Несмотря на то, что сообщество (формация) урути характеризуется повышенным накоплением, абсолютные запасы радионуклидов в ней составили 1.04Е+07 и 3.93 Е+07 кБк для 137Cs и 90Sr, соответственно.

Ярко выраженная сезонность процессов вегетации и поступления радионуклидов в торф сплавин с последующим опусканием их на дно характерна для водоема В-3. С одной стороны, депонирование 90Sr и 137Cs в первичной продукции макрофитов сплавин определено в 9,3Е+7 кБк/год и 2,74Е+7 кБк/год, соответственно; это количество выпадает на длительное время из биотического круговорота. С другой стороны, ежегодно приблизительно столько же 90Sr и 137Cs поступает в резерв донных отложений, выносится в виде взвешенного вещества в последующие резервуары в составе годичной продукции гидрофитов центральной части – 9,84Е+7 кБк/год и 2,59Е+7 кБк/год, соответственно. Получено, что по этому показателю запасы радионуклидов в растительности водоема В-3 в целом оцениваются в 1,24 Е+8 кБк/год.

Представляло интерес совместное рассмотрение диаграмм абсолютных запасов радионуклидов в фитомассе, в годичной продукции. Можно видеть различное их соотношение в макрофитах I и II зоны водоема В-3. Если отношение запасов радионуклидов в фитомассе макрофитов сплавин (I зоны) и центральной части (II зоны) равно 2:1, то в первичной продукции за год таковое составляет 1:1. Накоплению высоких абсолютных запасов при относительно небольшой среднегодовой продуктивности способствуют значительные КН и степень зарастания.

Таким образом, все поставленные задачи решены. На основании приведенных данных можно сделать выводы.

Выводы

  1. Исследования, проведенные на водоеме В-3, показали, что депонирование радионуклидов в растительно-торфяных сплавинах, занимающих около половины зеркала водоема (46 %), было обусловлено как сезонными накоплениями, так и отложением в предыдущие годы. Выявлены факторы (величина накопления, переноса между частями растения, ботанический состав, фитомасса, место произрастания), от которых зависят запасы радионуклидов в водных растениях.
  2. Показано, что высокие значения коэффициентов сорбции 90Sr и 137Cs из воды водоема
    В-3 среди 14 биоматериалов на основе макрофитов приводят к повышенной аккумуляции радионуклидов в ходе превращения растений в субстраты (торф и сапропель).
  3. Установлено, что удельная активность 90Sr и 137Cs в макрофитах водоема В-3, которые преимущественно развиваются в составе растительно-торфяных сплавин, значительно выше, чем в воде (в 20 – 1800 раз). Ее изменчивость в зависимости от места произрастания сводится к увеличению коэффициентов накопления при переходе от I зоны ко II. После отмирания растений увеличиваются коэффициенты накопления: 137Cs – в субстратах, образующихся при разложении остатков растений сплавин в центральной части.
  4. Впервые установлено, что наблюдается закономерное увеличение накопления 137Cs и 90Sr в виде прямолинейной зависимости между удельными запасами в преобладающем виде
    I зоны – тростнике – и расстоянием от берега. Полученные зависимости использованы для оценки запасов радионуклидов в макрофитах сплавин.
  5. Выполнена натурная оценка распределения абсолютных запасов радионуклидов в надземной фитомассе макрофитов I и II зоны водоема В-3. Отношение запасов радионуклидов составило 2:1, то есть макрофиты сплавин играют основную роль в накоплении радионуклидов макрофитами водоема В-3.
  6. Выполнена натурная оценка распределения удельной активности 137Cs и 90Sr между корнями и листьями макрофитов водоема В-3. С их помощью возможно уточнение величины удельных и полных запасов радионуклидов для растительных сообществ.

Таким образом, полученная в работе детальная информация об особенностях накопления долгоживущих радионуклидов в макрофитах водоема В-3 может быть полезной при выработке рекомендаций по дальнейшей эксплуатации водоема-накопителя жидких радиоактивных отходов.

основные положения диссертации изложены в следующих ПУБЛИКациях:

  1. Меньших Т.Б., Смагин А.И. Оценка токсичности воды технологических водоемов ПО «Маяк» на основе биолюминесцентного анализа // Тез. докл. Третьей молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 21-23 апреля 2005 г.). – Озерск, 2005. – с. 70–71.
  2. Меньших Т.Б., Никитина Л.В. Распределение цезия-137 в водной растительности водоемов ПО «Маяк» // Тез. докл. Второй Российской школы по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 4-8 сентября 2006 г.). – Озерск, 2006. – с. 77-79.
  3. Меньших Т.Б., Никитина Л.В. Цезий-137 и стронций-90 в водной растительности водоема В-3 // Вопросы радиац. безопасности, 2007. № 2. с. 59-65.
  4. Меньших Т.Б. Скрининг биоматериалов по сорбционным свойствам в отношении радионуклидов // Вопросы радиац. безопасности, 2009. № 1. с. 71-74.
  5. Меньших Т.Б. Распределение цезия-137 и стронция-90 в водной растительности водоема В-3 ТКВ // Тез. докл XIII международной молодежной школы–конференции “Биология внутренних вод” (Борок, 23-26 октября 2007 г.). – Борок, 2007. –
    с. 41.
  6. Меньших Т.Б. Накопление цезия-137 водной растительностью водоемов ПО «Маяк» // Вопросы радиац. безопасности, 2008. № 1, с. 78-82.
  7. Бакеева А.В., Титова Н.Н., Волошко Л.Н., Меньших Т.Б., Квитко К.В. Цианобактерии, выделенные из водоемов, загрязненных жидкими радиоактивными отходами // Материалы Шестой Всероссийской школы по морской биологии «Биоразнообразие сообществ морских и пресноводных экосистем России» (Мурманск, 1-2 ноября 2007 г.). – Мурманск, 2007. – с. 26–30.
  8. Меньших Т.Б., Ровный С.И. Сорбционные свойства водных растений по отношению к 90Sr и 137Cs // Тез. Докл. Вторых чтений, посв. памяти В.И.Корогодина и В.А.Шевченко “Актуальные вопросы генетики, радиобиологии и радиоэкологии” (Дубна-Москва, 12-13 января 2009 г.). – Дубна, 2009. – с. 87.
  9. Корреляция показателей накопления радионуклидов и стабильных элементов в макрофитах водоема В-3 ТКВ // Вопросы радиац. безопасности, 2009.
    № 4. С. 76-79.


 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.