Введение

Актуальность исследований обусловлена характером техногенного загрязнения территории, сложившегося в ходе исторического освоения земель, а также надземных ядерных испытаний, которые проводились на территории Семипалатинского испытательного полигона с 1949 по 1962 г. В этой связи научный и практический интерес представляют процессы перемещения загрязняющих веществ, в том числе радионуклидов, в водных объектах, которые обусловлены в основном оседанием попавших в воду частиц и их концентрировании в донных отложениях [1].

После проведения испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне для многих водных объектов Алтайского края были получены сведения о характере распространения радионуклидов в них. Однако к настоящему времени они утратили актуальность, в связи с чем важно получить современную оценку состояния водоемов, попавших под след радиоактивных выбросов от испытаний на Семипалатинском полигоне. Изучение донных отложений в настоящее время с ретроспективной оценкой первоначальных данных, полученных в 1990-е гг., позволит оценить степень их современной радиоактивной и химической опасности.

Кроме радионуклидов, опасность для окружающей среды представляют тяжелые металлы, которые могут поступать в водоемы от различных предприятий, в том числе сельскохозяйственных. В этой связи донные отложения являются наиболее информативным источником данных о загрязнении водного объекта [2; 3].

Гилёвское водохранилище образовано насыпной грунтовой плотиной в верховьях р. Алей с целью регулирования сезонного стока вод р. Алей и обеспечения устойчивого источника водоснабжения Рубцовского промузла и тяготеющих к нему населенных пунктов. По материалам литературных источников [4, с. 220; 5] водохранилище не попало под следы радиоактивных выпадений, однако сведения об отсутствии радионуклидов в донных отложениях водоема в научной литературе не найдены. Основным источником возможного загрязнения водохранилища тяжелыми металлами может являться горнодобывающее предприятие, расположенное выше по течению (Корбалихинский рудник), а также сельскохозяйственные объекты.

Целью исследования является оценка экологического состояния воды и донных отложений крупнейшего искусственного водоема Алтайского края – Гилёвского водохранилища на содержание искусственных и естественных радионуклидов и тяжелых металлов.

Материалы и методы исследования

В работе применялись современные аналитические методы, позволяющие получить достоверные данные по содержанию в водных объектах естественных и искусственных радионуклидов и тяжелых металлов. Подготовка образцов и анализ на содержание в воде и донных отложениях тяжелых металлов выполнены в лаборатории Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (г. Барнаул, Россия). Аналитические исследования проб донных отложений на содержание радионуклидов проведены в лаборатории филиала «Институт радиационной безопасности и экологии» Национального ядерного центра Республики Казахстан (г. Курчатов, Казахстан). Образцы воды и донных отложений отобраны и проанализированы в 2023 и 2024 гг. Измерения плотности потока aльфa- и бета-частиц от поверхности донных отложений проведены в полевых условиях с использованием дозиметрa-рaдиометрa МКС-03СА.

Отбор образцов донных отложений выполнен в соответствии с требованиями ГОСТ 17.1.5.01-80. Глубина отбора образцов выбрана с учетом данных, полученных Н.Н. Михайловым [6], который в 1993 г. проанализировал результаты исследований НПО «Тайфун» на содержание радионуклидов в донных отложениях некоторых озер Алтайского края и определил, что основное количество 137Cs, 90Sr, 239+240Pu на момент исследований содержалось в слое 4–6 см (соответствовало выпадениям 1962 г.) и в слое 12–16 см (идентифицировано как выпадения от испытаний на Семипалатинском полигоне 1949 г.). По сведениям того же автора [6], седиментация частиц, определенная для равнинных водоемов Алтайского края, равна 0,2–0,4 см/год. Таким образом, в настоящее время в водоемах глубина залегания радионуклидов, источником происхождения которых являются взрывы на Семипалатинском испытательном полигоне, преимущественно должна составлять от 16 до 30 см. С учетом данного факта для исследований выбран слой донных отложений на глубине от 16 до 30 см. Отбор образцов осуществлялся с плавсредств в местах отсутствия антропогенного воздействия на донные отложения. Пробы воды отбирались в той же точке из поверхностного слоя в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 59024-2020.

Определение содержания тяжелых металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах донных отложений и воды выполнено атомно-абсорбционным методом на спектрометре «МГА-1000». Подготовка пробы воды к анализу выполнялась в соответствии с требованиями ПНД Ф 14.1:2.253-09, при этом проводили кислотную обработку пробы с использованием микроволнового разложения. Пробы донных отложений подвергались кислотному выщелачиванию и микроволновому разложению, при этом определялось валовое содержание в пробах тяжелых металлов. Для контроля качества выполняемых исследований с каждой партией проб запускали одну «холостую» пробу.

Подготовка проб донных отложений к гамма-спектрометрическому анализу проводилась путем высушивания образца, его измельчения и гомогенизации. Оценка активности в пробах донных отложений 241Am и 137Cs выполнена с помощью гамма-спектрометра ORTEC GEM25P4-70. Подготовка проб донных отложений к альфа- и бета-спектрометрическому анализу выполнялась путем кислотного выщелачивания радионуклидов при полном разложении исследуемого образца и извлечении определяемого компонента для оценки его валового содержания (удельной активности). Содержание в пробе 90Sr определено по дочернему 90Y после радиохимического выделения с помощью бетa-спектрометрa TRI-CARB 3110TR PerkinElmer. Изотопы 239+240Pu измерены с помощью aльфa-спектрометрa Alpha Analyst A1200-32AM CANBERRA после приготовления счетного образца методом экстрaкционно-хромaтогрaфического выделения и электролитического осаждения [7].

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты полевых исследований проб донных отложений Гилёвского водохранилища на мощность гамма-излучения представлены в табл. 1.

Точка 1 отбора проб находится в верхнем бьефе водохранилища, точка 2 – в нижнем. Допустимые значения указаны согласно Основным санитарным правилам обеспечения радиационной безопасности от 26 апреля 2010 г. [8] и Методике измерений параметров радиоактивного загрязнения производственных помещений, элементов производственного оборудования, средств индивидуальной защиты и кожных покровов работника для целей специальной оценки условий труда, утвержденной 06.12.2018 г. [9], Нормам радиационной безопасности НРБ-99/2009, утвержденным 07.07.2009 г. [10].

По данным полевых исследований, мощность дозы гамма-излучения донных отложений Гилёвского водохранилища составила 0,10–0,18 мкЗв/ч. После высушивания образцов донных отложений была проведена оценка плотности потока бета-частиц от поверхности донных отложений, которая составила от 0,5 до 0,7 бета-частиц/см2мин.

В результате экспрессных исследований донных отложений превышения радиоактивных показателей (мощности дозы и потока бета-частиц) зафиксировано не было.

Для получения количественных и качественных данных о радионуклидном составе донных отложений изучаемого водного объекта был проведен лабораторный спектрометрический анализ подготовленных образцов, результаты приведены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты полевых исследований донных отложений

Таблица 2

Содержание радионуклидов в пробах донных отложений

В результате анализа проб было определено, что содержание в донных отложениях естественных радионуклидов (40K, 226Ra, 232Th) соответствует природному уровню, нормируемый показатель радиоактивности по естественным радионуклидам (удельная эффективная активность для исследуемых образцов) составил 144–145 Бк/кг, что не превышает нормативного уровня в 370 Бк/кг [10]. Полученные величины хорошо согласуются с литературными данными по содержанию естественных радионуклидов в донных отложениях Западной Сибири [11].

Измерение активности 137Cs показало значительно меньшее значение относительно определенных авторами [12], которые в 1993–1995 гг. фиксировали в донных отложениях озер Алтайского края на уровне 200–250 Бк/кг.

В донных отложениях в верхнем бьефе Гилёвского водохранилища искусственные радионуклиды 241Am, 137Cs, 90Sr, 239+240Pu не обнаружены, в отличие от нижней части, что может являться результатом накопления радиоактивности в наиболее узком месте водохранилища в ходе перемещения донных наносов течением.

Накопление 137Cs в донных отложениях водоемов предгорной части Алтайского края также отмечали авторы [13]. В частности, для Колыванского озера, попавшего под след взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне, было зафиксировано превышение уровня глобального фона в три раза. Наличие искусственных радионуклидов в донных отложениях Гилёвского водохранилища может свидетельствовать об их переносе с водой и донными наносами с участков, попавших под след радиоактивных выпадений. Также источником искусственных радионуклидов в донных отложениях водохранилища могут являться глобальные выпадения с атмосферы, что отмечали авторы [14–16] по результатам исследования озер Крымского полуострова.

Результаты исследований донных отложений и воды Гилёвского водохранилища на содержание тяжелых металлов приведены в табл. 3 и 4.

Результаты лабораторных исследований показали, что в настоящее время содержание в воде Гилёвскoгo водохранилища кадмия, цинка, свинца и никеля не превышает нормативного уровня, в то время как медь присутствует в количествах больше нормативного значения, установленного для объектов рыбохозяйственного значения. Однако, учитывая результаты ранее проведенных исследований [6], определено, что содержание меди в воде на период измерений (июнь 2024 г.) в 7,3 раза меньше, чем в 1993 г., что свидетельствует об улучшении экологического состояния водного объекта.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в пробах воды

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов в пробах донных отложений

Генезис тяжелых металлов в воде и донных отложениях, вероятно, связан с геохимическими аномалиями, присущими данному региону. Кроме того, по результатам исследований донных отложений определено, что содержание тяжелых металлов, так же как и радионуклидов, в нижней части водохранилища выше, чем в верхнем бьефе, что подтверждает сделанное выше предположение о накоплении загрязняющих веществ в наиболее узком месте водохранилища в ходе перемещения донных наносов течением.

Заключение

Содержание искусственных и естественных радионуклидов в донных отложениях Гилёвского водохранилища не превышает нормативного уровня. Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях в пределах нормы, за исключением меди, по которой ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения превышено в 3,7 раза.

Основываясь на результатах проведенных исследований, выполнена оценка риска для населения при использовании водных объектов в хозяйственных целях. Вода и донные отложения водных объектов юго-западной части Алтайского края не представляют радиационной и химической опасности при их использовании в хозяйственных и рекреационных целях. Однако риск представляют гидробионты, способные накапливать вредные химические и радиоактивные вещества, которые по пищевой цепочке могут попасть к человеку. По результатам исследований донных отложений Гилёвского водохранилища определено, что существует вероятность накопления гидробионтами радионуклидов и тяжелых металлов.

Следует учитывать, что в случае нарушения равновесия в системе вода – донные отложения риск загрязнения водохранилища и его обитателей тяжелыми металлами и радионуклидами может быть высоким и воздействие на человека будет иметь негативные последствия.

Для более точных сведений о содержании тяжелых металлов и радионуклидов в гидробионтах изучаемого водоема требуются дополнительные исследования с привлечением гидробиологов. В рамках настоящей работы такая задача не ставилась, и полученные данные достаточны для оценки уровня риска для населения при пользовании водным объектом.

Авторы выражают благодарность директору Института радиационной безопасности и экологии Национального ядерного центра Республики Казахстан A.О. Aйдaрхaнову, заместителю директора Е.В. Мустaфиной и сотрудникам Л.В. Тимоновой, Г.A. Ковaленко, Г.Ы. Досмaмбетовой зa сотрудничество и профессионализм при выполнении аналитических исследований.