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
|
Точка отбора проб |
Мощность дозы гамма-излучения, мкЗв/ч |
Поток, бета-частиц/см2мин |
|
1 |
0,10–0,17 |
0,5 |
|
2 |
0,12–0,18 |
0,7 |
|
Предельно допустимый уровень [5] |
0,30 |
0,4 Бк/см2 (~10 бета-частиц/см2мин) |
|
Фоновое значение для почвенного покрова Алтайского края |
0,09–0,12 |
менее 0,5 |
Таблица 2
Содержание радионуклидов в пробах донных отложений
|
Точка отбора пробы |
Глубина отбора образца, м |
Содержание радионуклидов, Бк/кг |
||||||
|
искусственные |
естественные |
|||||||
|
241Аm |
137Cs |
90Sr |
239+240 Pu |
40K |
226Rа |
232Th |
||
|
1 |
0,3 |
< |
< |
< |
< |
580 |
26 |
53 |
|
2 |
0,3 |
< |
19 |
6,2 |
3,8 |
615 |
28 |
50 |
|
Среднее содержание в почвах Алтайского края |
– |
2–4 |
6–51 |
0,36–3,5 |
372–485 |
22–53 |
21–33 |
|
|
Фон глобальных выпадений |
– |
4–29 |
1–19 |
2–4 |
– |
– |
– |
|
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
|
Точка отбора |
Содержание тяжелых металлов, мг/л |
|||||
|
Cu |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
Fe |
|
|
1 |
3,7*10-3 |
< |
< |
< |
< |
9,9*10-4 |
|
2 |
3,7*10-3 |
< |
< |
< |
< |
2,9*10-3 |
|
ПДК [17] |
1,0 |
5,0 |
1*10-2 |
1*10-3 |
0,02 |
0,3 |
|
ПДК [18] |
1*10-3 |
0,01 |
6*10-3 |
5*10-3 |
0,01 |
0,1 |
|
Результаты исследований 1993 г. [19] |
2,7*10-2 |
3,4*10-2 |
7,7*10-4 |
5*10-5 |
1,96*10-3 |
– |
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов в пробах донных отложений
|
Точка отбора |
Характеристика образца |
Содержание тяжелых металлов, мг/кг |
||||
|
Cu |
Zn |
Pb |
Cd |
Ni |
||
|
1 |
Суглинок светло-коричневый |
0,36 |
< |
0,007 |
< |
< |
|
2 |
Суглинок темно-серый |
0,94 |
0,073 |
0,18 |
< |
0,039 |
|
ПДК [20] |
Для песчаных почв |
33 |
55 |
32 |
0,5 |
20 |
|
Для суглинистых почв |
132 |
220 |
130 |
2 |
80 |
|
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.