Почва – «экологический щит» атмосферы. Именно почвенные организмы как никто другой обеззараживают вредные органические соединения и болезнетворную для человека микрофлору [1]. Огромную опасность для биосферы представляет загрязнение ее радиоактивными веществами. Вызвано оно тем, что в атмосфере накапливаются и рассеиваются продукты радиоактивного распада, затем они проникают в почву и в, итоге накапливаются в сельскохозяйственной продукции [7].
Почвенные животные – очень хороший объект для радиоэкологических исследований. Многие из них очень чувствительны к радиации, в пищевых целях они, как правило, являются конечными звеньями и концентрируют радионуклиды. Почвенные животные регулируют численность вредителей леса. Это очень важно в лесных районах, которые подверглись действию радиации. Очень тесная связь прослеживается между степенью радиоактивного загрязнения почв и экологией сельскохозяйственных вредителей в этих почвах [10].
Почвенные животные – прекрасный биоиндикатор радиоактивного загрязнения территорий, так как их численность достигает многих сотен тысяч особей на 1 м2. Характер питания фитофагов, сапрофагов и хищников достаточно постоянен, и это позволяет установить пути и количественные закономерности миграции радионуклидов в биогеоценозе.
И, наконец, почвенная фауна – наименее миграционная часть зооценоза, и она очень тесно контактирует с радиоактивными загрязнениями и радионуклидами, т.к. на суше все загрязнения, как радиоактивные, так и химические рано или поздно попадают в почву [7].
В последнее время большое внимание исследователей привлекает проблема эффектов малых доз радиации на биологические объекты в связи с увеличивающимся радиоактивным загрязнением окружающей среды. Экспериментальные работы, посвященные исследованию эффектов в области малых доз радиации, с которыми сталкиваются люди в обыденной жизни, заполнены данными, полученными путем экстраполяции из области больших доз [15].
Необходимость разработки биологических мер борьбы с возможными радиоактивными загрязнениями суши заставляет с особым вниманием отнестись к проблеме регулирования и направленной перестройки животного населения почв, изысканию путей интенсификации биологического круговорота веществ с помощью животных для связывания подвижных соединений радионуклидов и локализации очагов загрязнения в условиях естественных природных экосистем [2; 3].
Расселение и массовое размножение таких почвенных животных, как кивсяки, могло бы в той или иной степени ликвидировать очаг загрязнения. Кивсяки накапливают соли кальция и стронция, потребляют растительный опад, который является одним из самых загрязненных радионуклидами горизонтов почвы. Они в то же время не являются пищей для птиц и млекопитающих, поэтому могут служить депо таких радионуклидов, как стронций-90. Как правило, радиоактивный стронций накапливают животные, которые откладывают кальций в покровах, чтобы увеличить их прочность. К этим животным относятся почвенные моллюски, кивсяки, мокрицы. Они могут использоваться в качестве биоиндикаторов загрязнения среды стронцием-90. Например, на Украине кивсяки и виноградные улитки накапливали стронций-90 в 100 раз больше, чем его содержалось в дубовой коре – пище этих животных [9; 10].
Стронций-90 прочно связывается с почвами, а потому не весь включается в круговорот. Можно предположить, что зоогенная миграция этого изотопа сравнима с вымыванием дождевыми водами или разносом ветром из биогеоценоза. Наибольшее значение здесь имеют почвенные миграции [10].
Рассмотрим теперь другой загрязнитель – цезий-137. Это очень долгоживущий радионуклид (период полураспада 29 лет). Цезий-137 – один из основных агентов радиоактивного загрязнения биосферы. Миграция этого элемента к человеку происходит через пищевые продукты животного происхождения. Химически цезий близок к калию, с которым он и мигрирует по пищевой цепи. Подвижность цезия-137 в круговороте уменьшают микроорганизмы, которые связывают до 60 % изотопа, давая ему
выщелачиваться из лесной подстилки. Важную роль в биогенной миграции цезия-137 играют почвенные грибы, в которых содержится до 45 % калия.
Почвенные животные, разрушающие мертвую органику, способствуют освобождению этих элементов и вовлечению их в биогенный круговорот. Почвенные животные переворачивают значительную часть биомассы переводя зольные элементы в подвижное, доступное высшим растениям состояние [8; 11].
В России были исследованы почвы лугов с повышенным содержанием радия. Различия были обнаружены для всех почвенных животных, которые долго развиваются и малоподвижны, т.е. постоянно обитают на участках с повышенным фоном радиации. Численность этих животных на таких участках была намного ниже, чем в контроле (объектами были дождевые черви, личинки двукрылых и жуков-щелкунов) [1; 3].
Наибольшее угнетение испытывали дождевые черви. На участках с повышенным фоном радиации была не только ниже их численность, но и наблюдалась задержка в развитии этих животных. То есть наибольшему воздействию радиации подвергаются оседлые животные, которые долго обитают на участках с повышенным радиоактивным фоном. У них наблюдается задержка развития и нарушения в функции эпителия поверхности тела и кишечника [6].
Действие радиации на почвенных животных можно хорошо проследить не только на участках, где ее уровень высок, но и там, где он низок, из-за больших дозовых нагрузок на почвенных животных по сравнению с наземными. Особенно удобны для изучения дождевые черви, т.к. они облучаются извне и от почвы, которую заглатывают [12].
В России проведены многочисленные эксперименты с загрязнением почв искусственными радионуклидами и последующим изучением экологии почвенных животных. Огромный материал собран и по экологии микроорганизмов, развитию корневых систем растений в условиях повышенного фона радиации. Сформировалось новое направление – радиобиология почвы. Ученые, приступая к изучению воздействия ионизирующих излучений на почвенных животных, не могли предвидеть всех сложностей, с которыми им придется столкнуться. Проблема заключалась в том, что наземные беспозвоночные – организмы весьма радиоустойчивые во взрослом состоянии. Так, радиочувствительность мокриц, паукообразных, дождевых червей составляет 50–200 килорад, что значительно выше, чем у растений [4; 5].
В лесу, на участках, загрязненных стронцием-90, численность почвенных животных сократилась в 2 раза. Численность потребителей растительного опада, к которым относятся дождевые черви и многоножки, сократилась в 10–100 раз. Обитают эти представители почвенной фауны преимущественно в лесной подстилке и в верхнем слое почвы, где и сконцентрирована основная часть радионуклидов. Сокращение видового состава наблюдалось и в микрофауне – популяции панцирных клещей [11].
Почвенные животные чутко реагируют на повышенный уровень радиации при дозах 0,5–3 рад в сутки. При этом уменьшается видовое разнообразие животных, ведущих неподвижный образ жизни. Падает уровень глубины заселения почвы и численность животных. У почвенных животных уязвимыми для радиации являются ранние стадии жизненного цикла [1; 3].
Взрослые стадии почвенных животных устойчивы к действию радиации. Но животных здесь «подводит» уязвимость для радиации ранних стадий. За длительный период развития они успевают облучиться значительными дозами радиации. Уязвимость усиливается и из-за того, что почва аккумулирует многие радионуклиды, попавшие в биосферу. Почвенные животные, например дождевые черви, заглатывая почву при питании, получают дозу облучения от пищевого комка, что становится особенно важным при загрязнении почв радионуклидами – альфа-излучателями [10].
Огромное участие почвенные животные принимают в зоогенной миграции искусственных радионуклидов. Это происходит в основном из-за высокой биомассы животных и их роющей деятельности.
Обеднение почвенной фауны в глубоких горизонтах почвы отмечено при всех формах действия ионизирующих излучений на биогеоценоз. Объясняется это тем, что в глубине почвы больше, чем на поверхности преимагинальных, а, следовательно, более радиочувствительных стадий животных. Поверхностные слои после облучения легче заселяются извне; глубокопочвенные виды менее плодовиты, чем поверхностные, и медленнее восстанавливают численность популяций [2].
Примером действия радиации на почвенных животных может послужить авария на Чернобыльской АЭС. Авария случилась 26 апреля 1986 года, а обследование почв зоны, подвергшейся радиоактивному излучению, было начато в середине июня 1986 г. Учеты летом 1986 года показали, что почвенные животные – обитатели лесной подстилки – сильно пострадали в результате радиоактивного загрязнения среды в районе ЧАЭС на удалении 3–7 км от станции. В этом районе произошла экологическая катастрофа: вся экологическая система оказалась разрушенной. Радиоактивное загрязнение нарушило процесс нормального воспроизводства популяций самых разных почвенных обитателей. Среди микрофауны наиболее радиочувствительные стадии – первые возрасты личинок и нимф – в сосновых лесах полностью отсутствовали. Но интересен тот факт, что высокие уровни радиации не явились препятствием для постепенного восстановления почвенной фауны (как за счет заселения из непострадавших от радиации участков, так и за счет размножения сохранившихся почвенных животных, которые в глубоких горизонтах почвы под корнями деревьев, под камнями, должны были получить на 1–2 порядка меньшую дозу радиации, чем обитатели подстилки). Через год после аварии, весной 1987 г., почвенная фауна интенсивно восстанавливалась даже в наиболее пострадавших участках. Численность дождевых червей в полевых почвах составляла 15 % от контрольной, но наличие их коконов свидетельствовало о размножении этих животных даже в наиболее загрязненных почвах. Таким образом, через 2,5 года после аварии почвенное население почти полностью восстановилось [13].
Радиоактивные продукты ядерных взрывов, поступившие на земную поверхность и включившиеся в биогеохимические цепочки миграции, становятся источниками внешнего облучения живых организмов. Почвенные животные обладают достаточно прочными внешними покровами, которые экранируют организм от внешнего бета-облучения. Кроме того, многие почвенные животные даже в эксперименте выявили, что их покровы экранируют примерно 70 % энергии излучения (жуки-кравчики). Поэтому в условиях внешнего облучения жуки хорошо защищены от бета-излучения; плотность их покровов составляет 90–100 мг/см2. Таким образом, при расчетах поглощенных доз в организме следует учитывать экранирующие эффекты внешних покровов [14].
При осуществлении всестороннего контроля за состоянием окружающей человека среды большое значение имеет использование широкого спектра биологических индикаторов. К их числу относится и богатый в качественном и количественном отношении мир почвенных животных. Исследования показали, что комплексы почвенной фауны и отдельные группы почвенных животных могут с успехом использоваться для биологической индикации промышленных и радиоактивных загрязнений [7].
Таким образом, для использования почвенных беспозвоночных в системе экологического мониторинга имеются все предпосылки.