Более 19 % площади Ненецкого автономного округа занято болотами (~ 3,4 млн га) [1]. Преобладающим типом являются бедные питательными веществами верховые болота, основным источником питания которых являются аэрозоли, воздушная пыль и атмосферные осадки [2]. В связи с преимущественным атмосферным питанием, верховые торфяники представляют собой огромный архив атмосферных загрязнителей, ведущую роль среди которых играют радиоактивные элементы, поскольку арктические территории, к которым относится Ненецкий автономный округ, с момента начала атомной эры подверглись существенному воздействию техногенной радиоактивности [3, 4]. Основными источниками техногенной радиоактивности в Арктике являлись: а) глобальные (стратосферные) выпадения в результате атмосферных ядерных испытаний, б) локальные (тропосферные) выпадения в результате испытаний, проводимых на единственном в Арктике ядерном полигоне на Новой Земле с 1955 по 1990 г.; в) поступление в арктические моря техногенных радионуклидов от западноевропейских радиохимических заводов Великобритании и Франции; г) последствия Чернобыльской катастрофы 1986 г. [5].
Помимо техногенной радиоактивности, образованной преимущественно в результате глобальных выпадений от атмосферных испытаний атомного оружия и радиационных аварий, потенциальная опасность загрязнения торфяно-болотных экосистем округа может быть связана с естественными радионуклидами, источником которых являются многочисленные месторождения углеводородов на территории НАО. Естественные радионуклиды поступают на поверхность в составе минерализованных попутных вод, составляющих самый большой объем отходов в процессе добычи нефти и газа [6]. В связи с наличием в округе потенциальных радиационных источников, торфяно-болотные экосистемы, занимающие значительную площадь НАО, могут быть потенциальным концентратором радиоактивности, создавая опасность для биоты и человека. Кроме этого, радиоактивные изотопы, находящиеся в торфяных отложениях, могут предоставить ценную информацию о последних региональных изменениях климатических условий и загрязняющих нагрузок [4]. Однако сведения об уровне загрязнения торфяников НАО радионуклидами техногенного и естественного происхождения отсутствуют. В связи с этим целью данной работы является исследование вертикального распределения радионуклидов атмосферных выпадений по профилю верхового болота на территории НАО. Для достижения указанной цели была отобрана колонка торфяных отложений в районе г. Нарьян-Мара, изучены физико-химические параметры и удельная активность следующих радионуклидов, имеющих большой период полураспада: стронций-90 (90Sr) – 28,8 лет, цезий-137 (137Cs) – 30,0 лет, америций-241 (241Am) – 432,6 года, свинец-210 (210Pb) – 22,2 года.
Материалы и методы исследования
Отбор торфяной колонки ТН 1-2 проводился согласно межгосударственному стандарту [7] в 18 км восточнее города Нарьян-Мар. Схема отбора колонки показана на рис. 1.
Рис. 1. Карта-схема отбора торфяной колонки ТН 1-2
Глубина торфяной колонки составляла 29 см. После отбора колонка торфа была разделена на слои по 2 см, за исключением самого верхнего горизонта 0–3 см. В общей сложности торфяная колонка была разделена на 14 проб.
В каждом из слоев торфа были определены физико-химические показатели: зольность (А) [8], массовая доля органического вещества (Х) гравиметрическим методом [9], массовая доля карбонатов (С(СО32-)) с учетом влажности и потерь при прокаливании; удельная активность радионуклидов 90Sr,137Cs, 241Am,210Pb.
Удельную активность 90Sr в пробах торфа определяли бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой согласно аттестованной методике [10]. Методика основана на измерении бета-излучения счетного образца, содержащего селективно выделенный из пробы иттрий-90 (90Y), являющийся дочерним продуктом распада 90Sr и находящийся с ним в радиоактивном равновесии в пробе, и расчете удельной активности 90Y (90Sr) в пробе. Измерение счетных образцов выполнялось с применением альфа-бета радиометра РСК-01А «Абелия» с программным обеспечением «Абелия 1.0.7.0».
Определение радионуклидов 137Cs и 241Am проводили с применением низкофонового гамма-спектрометра производства CANBERRA Packard с коаксиальным полупроводниковым детектором GX2018 на основе кристалла Ge(Li) и программного обеспечения Genie-2000. Удельную активность радионуклида 137Cs фиксировали по линии гамма-излучения 661,7кэВ с квантовым выходом 89,9 %, принадлежащей его дочернему радионуклиду 137Ba, удельную активность радионуклида 241Am – по линии гамма-излучения 59,5 кэВ с квантовым выходом 35,9 %.
Удельную активность 210Pb в пробах торфа определяли альфа-бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой в соответствии с аттестованной методикой [11]. Сущность методики заключается в измерении бета-излучения счетного образца, содержащего изотоп висмута-210 (210Bi), находящийся в радиоактивном равновесии с 210Pb и селективно выделенный из пробы с использованием радиохимических приемов и спонтанного селективного электрохимического осаждения, и расчете удельной активности 210Pb в пробе. Измерение счетных образцов выполнялось с применением альфа-бета радиометра РСК-01А «Абелия» с программным обеспечением «Абелия 1.0.7.0».
Для исследования структуры взаимосвязей изучаемых параметров использовали корреляционный анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химические показатели
Величина зольности для исследуемого торфяного профиля находится в интервале 11–94 %. Согласно полученным данным (рис. 2), исследуемый профиль состоит из высокозольного торфа (10 % < А < 50 %, 1–8 слой) и заторфованного грунта (А > 50 %, 9–14 слой). Высокая зольность обусловлена наличием наносного песка, глины и минеральных веществ, накопленных растениями. Отмечается тенденция повышения зольности при движении вниз по профилю.
Рис. 2. Физико-химические свойства торфяного профиля ТН 1-2
Обратный показатель зольности – доля органического вещества – уменьшается с глубиной (рис. 2). Массовая доля органического вещества в торфяном профиле варьирует по горизонтам в пределах от 5,9 % до 89 %. В слое 11–13 см наблюдается максимальное значение показателя.
Массовая доля карбонатов в торфяном профиле незначительна и находится в интервале 0,31–0,54 %. В слое 0–3 см наблюдается максимальное значение показателя, возможно, обусловленное преимущественно атмосферным их поступлением. Для профиля характерно снижение массовой доли карбонатов с глубиной (рис. 2).
Удельная активность техногенных радионуклидов
Удельная активность 90Sr в торфяном профиле составляет 0,25–2,6 Бк/кг, что не превышает установленную минимально значимую удельную активность (МЗУА) радионуклида (100 000 Бк/кг) [12]. Активность 90Sr по профилю убывает с глубиной (рис. 3). Максимальная активность радионуклида отмечается в двух слоях: в слое 7–9 см (2,6 Бк/кг) и в слое 3–5 см (2,4 Бк/кг).
Рис. 3. Удельная активность радионуклидов в торфяном профиле ТН 1-2
Удельная активность 137Cs по торфяному профилю выше 90Sr и находится в пределах от 1,4 до 44 Бк/кг. Активность радионуклида не превысила 0,01–0,44 % от МЗУА (10 000 Бк/кг). Активность 137Cs по торфяному профилю убывает с глубиной (рис. 3). Максимальная активность радионуклида отмечается в слое 5–7 см (44 Бк/кг) и слое 9–11 см (37 Бк/кг).
Малая активность 90Sr и 137Cs в самом первом слое 0–3 см профиля, возможно, обусловлена их повышенным переходом в растения. Накопление 90Sr и 137Cs моховым покровом подтверждается исследованием В.В. Гречкиной с соавторами [13].
Техногенные радионуклиды 90Sr и 137Cs имеют единый вертикальный миграционный путь по торфяному профилю: наблюдаются два пика их удельной активности. Между удельной активностью 90Sr и 137Cs выявлена положительная корреляционная зависимость (r = 0,87 ± 0,06, связь сильная). Исследования Н.Н. Рахимовой и В.В. Делигировой [14], проведенные на черноземе, подтверждают выявленную закономерность.
Органическое вещество обуславливает удельную активность данных радионуклидов в торфе. Между долей органического вещества и удельной активностью 90Sr и 137Cs выявлена положительная корреляция (r = 0,82 ± 0,09 (связь сильная), r = 0,87 ± 0,06 (связь сильная) соответственно), при которой наибольшие значения удельной активности радионуклидов наблюдаются при наибольшей доле органического вещества (таблица).
Корреляционная зависимость активности радионуклидов от физико-химических показателей
|
Радионуклид |
Физико-химический показатель |
||
|
Зольность |
Массовая доля органического вещества |
Массовая доля карбонатов |
|
|
90Sr |
-0,82 ± 0,09* |
0,82 ± 0,09* |
-0,26 ± 0,25 |
|
137Cs |
-0,87 ± 0,06* |
0,87 ± 0,06* |
-0,40 ± 0,22 |
|
210Pb |
-0,20 ± 0,26 |
0,20 ± 0,26 |
0,52 ± 0,19* |
Примечание: *достоверные значения на 1 % и 5 % уровне значимости.
Между зольностью – твердой неорганической частью торфа и удельной активностью 90Sr и 137Cs выявлена отрицательная корреляция (r = -0,82 ± 0,09 (связь сильная), r = -0,87 ± 0,06 (связь сильная) соответственно).
Удельная активность 241Am обнаружена только в пяти слоях торфяного профиля в диапазоне от 0,39 до 2,7 Бк/кг. Значения активности не превысили 0,04–0,27 % от МЗУА (1 000 Бк/кг). В остальных слоях активность ниже порога обнаружения. Пики удельной активности 241Am в профиле не зафиксированы. Радионуклид по профилю распределяется равномерно.
Удельная активность 210Pb выше активности 90Sr, 137Cs и 241Am и составляет 4,0–382 Бк/кг, что не превышает 0,04–3,8 % от МЗУА (10 000 Бк/кг). Максимальная активность радионуклида (382 Бк/кг) зафиксирована в верхнем слое (0–3 см) торфяного профиля (рис. 3). Со слоя 3–5 см активность 210Pb существенно убывает и выравнивается, достигая в нижних слоях равновесия с 226Ra. Максимум активности 210Pb в верхней части профиля обусловлен поступлением радионуклида в виде аэрозольных выпадений с атмосферными осадками [15].
Заключение
В изученном торфяном профиле отмечена высокая зольность (до 94 %), обусловленная наличием наносного песка, глины и минеральных веществ, накопленных растениями. Массовая доля органического вещества в торфяном профиле варьирует по горизонтам в пределах от 5,9 % до 89 %. Доля карбонатов в профиле незначительная (0,31–0,54 %).
В торфяном профиле зафиксирована активность радионуклидов, которая снижается в ряду: 210Pb → 137Cs → 241Am → 90Sr. Изученные радионуклиды сосредоточены в верхних слоях торфяного профиля. Активность радионуклидов уменьшается с глубиной профиля. Изотопы 90Sr и 137Cs имеют единый вертикальный миграционный путь по торфяному профилю.
Выявлена сильная положительная корреляция между долей органического вещества и удельной активностью 90Sr и 137Cs (r = 0,82 ± 0,09, r = 0,87 ± 0,06). Между удельной активностью 90Sr и 137Cs и зольностью соответственно наблюдается сильная отрицательная корреляция (r = -0,82 ± 0,09, r = -0,87 ± 0,06). Сравнение полученных данных с нормами радиационной безопасности (НРБ-99/2009) показало, что активности исследованных радионуклидов в торфе не превышают установленных значений и не представляют опасности для биоты и человека.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и БРФФИ в рамках научного проекта № 19-55-04001, а также гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-1919.2020.5.