Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

БИОГЕННАЯ АККУМУЛЯЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 137CS И 90SR РАСТЕНИЯМИ ЭКОСИСТЕМ ПОЙМЫ Р. ТОБОЛ

Кайгородов Р.В. 1
1 Тобольская комплексная научная станция УрО РАН
Исследована удельная активность техногенных изотопов 137Cs и 90Sr в растениях, произрастающих в поймах и прибрежных зонах стариц, расположенных в Тюменской области. Объектами исследований послужили травянистые растения осока острая (Carex acuta L.), тысячелистник иволистный (Achillea salicifolia Besser), кустарник ива пепельная (Salix cinerea L.), древесная форма ивы белой (Salix alba L.). Образцы растений (листья древесных форм, кустарников и травянистых растений, кора древесных форм) отбирались сопряженно с почвенными образцами (слой 0–15 см) в поймах р. Тобол и в прибрежной зоне стариц р. Тобол. Исследуемая территория входит в Восточно-Уральский радиоактивный след, связанный с деятельностью предприятия ПО «Маяк», радиационными авариями на данном объекте и неоднократными испытаниями ядерного оружия на прилегающих участках. Удельную активность радионуклидов анализировали на гамма-бета спектрометре «Гамма Плюс» с использованием программного обеспечения «Прогресс-5». В пойме основного русла р. Тобол содержание радионуклидов в надземной биомассе исследуемых травянистых и древесных растений было достоверно выше, чем на участках русла стариц р. Тобол. В исследуемых растениях изотоп 137Cs накапливался более интенсивно, чем 90Sr. Рассчитаны коэффициенты накопления радиоактивных изотопов в золе растений относительно их валового содержания в почве. Как показали результаты, наиболее активной аккумуляцией радионуклидов 137Cs и 90Sr отличались листья осоки острой и кора стволов ивы белой. Растительность прибрежно-водных участков является важным звеном миграции техногенных радионуклидов в водных экосистемах.
техногенные радионуклиды
удельная активность
пойменные экосистемы
прибрежно-водные растения
биогенная аккумуляция
1. Кайгородов Р.В. Удельная активность радионуклидов 137Cs и 90Sr в почвах прибрежных зон водных объектов Тюменской области // Успехи современного естествознания. 2020. № 9. С. 66–70.
2. Трапезников А.В., Трапезникова В.Н., Коржавин А.В., Николкин В.Н. Радиоэкологический мониторинг пресноводных экосистем. Том I. Екатеринбург: Изд-во «АкадемНаука», 2014. 496 с.
3. Мешкинова С.С. Радионуклиды в растениях долины Средней Катуни // Мир науки, культуры, образования. 2010. № 4 (23). С. 285–286.
4. Молчанова И.В., Михайловская Л.Н., Позолотина В.Н., Антонова Е.В. Техногенные радионуклиды в почвах Восточно-Уральского радиоактивного следа и их накопление растениями разных таксономических групп // Радиационная биология. Радиоэкология. 2014. Т. 54. № 1. С. 77–84.
5. Михайловская Л.Н., Гусева В.П., Руковишникова О.В., Михайловская З.Б. Техногенные радионуклиды в почвах и растениях наземных экосистем в зоне воздействия атомных предприятий // Экология. 2020. № 2. С. 110–118.
6. Щеглов А.И., Цветнова О.Б. Роль лесных экосистем при радиоактивном загрязнении // Природа: Ежемесячный естественнонаучный журнал РАН. 2001. № 4. С. 23–33.
7. Прокопьев Е.П. Итоги изучения растительного покрова поймы реки Иртыш // Сибирский ботанический журнал. 1999. Т. 1. № 1. С. 78–91.
8. Государственная фармакопея Российской Федерации XIII изд. Т. 2 (ОФС 1.5.3.0001.15). М., 2015. С. 355–375.

Распределение радиоактивных изотопов в системе «почва – растения» чрезвычайно важно для оценки их миграции в водных и прибрежно-водных экосистемах территорий, подверженных воздействию техногенных процессов.

В одной из наших ранних работ [1] исследована удельная активность изотопов 137Cs и 90Sr в почвах прибрежных участков водоемов разного типа Тюменской области. Показано активное накопление радионуклидов в почвах пойм рек на примере р. Тобол, которая связана с другими реками, протекающими по территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, связанного с деятельностью ПО «Маяк» (р. Исеть, р. Теча, р. Миасс) [2]. В почвах прибрежной зоны бессточных водоемов оз. Имбиряй и оз. Чигиркуль наблюдалось минимальное по сравнению с поймами накопление радионуклидов 137Cs и 90Sr благодаря отсутствию гидрохимической связи с реками Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Ведущую роль в накоплении 137Cs и 90Sr в почве, т.е. в механизмах иммобилизации изотопов, ограничивающих их миграцию в другие компоненты пресноводных экосистем (биоту, донные отложения), играют содержание гумуса, фосфатов, поглотительная способность почвы, обеспеченность калием, кальцием и магнием. Накопление в пойменных почвах радионуклидов может являться фактором вторичного загрязнения речных вод.

Изотопы 137Cs и 90Sr проявляют среднюю радиотоксичность по отношению к человеку и животным [2].

В надземной части растений за счет атмосферного выпадения, а также в результате корневого поглощения наблюдается биогенная аккумуляция техногенных радиоактивных изотопов [3]. Накопление радионуклидов растениями зависит от целого ряда факторов, включая уровень загрязнения, физико-химические свойства почвы, видовые особенности, жизненные формы и экологические группы растений, сезон года, удаленность от уреза воды и др. [4, 5]. С опадом надземной фитомассы может происходить вторичное поступление радиоактивных элементов в почву и другие компоненты (воду, донные отложения, гидробионты) пойменных экосистем [6]. Для характеристики накопления радионуклидов в других, не исследованных нами компонентах водных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа, приведем данные из источников литературы. В воде р. Течи по данным на 2005 г., т.е. через 39 лет после сброса больших объемов радиоактивных отходов, содержание 90Sr составляло 13,6 Бк/л (ПДК 7 Бк/л), содержание 137Cs – 0,6 Бк/л (ПДК для воды не разработаны) [2]. По данным тех же авторов, концентрации радиоактивных изотопов в верхних слоях (слой 0–5 см) донных отложений р. Течи колебались в следующих диапазонах в зависимости от места отбора образцов: для 90Sr 28 – 430 Бк/кг сухой массы, для 137Cs – 19–1050 Бк/кг сухой массы. В организме рыб (карась золотистый – Carassius carassius L.) в р. Тече (110 км от истока) среднее содержание радионуклидов составляло для 90Sr – 340 Бк/кг сырой массы рыбы, для 137Cs – 576 340 Бк/кг сырой массы рыбы. При этом коэффициенты накопления изотопов в биомассе карася составляли для 90Sr – 68, для 137Cs – 600 [2].

Настоящие исследования направлены на оценку аккумуляции радионуклидов в надземных частях прибрежно-водных растений пойм р. Тобол.

Проведен анализ удельной активности радионуклидов 137Cs и 90Sr в листьях растений, а также в коре некоторых древесных растений, произрастающих в поймах основного русла и стариц р. Тобол. По данным радиационного анализа почв (валовое содержание) и растений были рассчитаны коэффициенты накопления 137Cs и 90Sr в фитомассе (золе растений).

Материалы и методы исследования

Объектами послужили образцы растений разных экологических групп и форм и аллювиальных дерновых слоистых почв, отобранные в пойме основного русла и стариц р. Тобол в июле 2019 г. вблизи некоторых населенных пунктов в юго-западной части Тюменской области (табл. 1).

Таблица 1

Географическое расположение исследуемых водных объектов и участков отбора растительных и почвенных образцов

№ участка

Тип и название водного объекта

Расстояние участка отбора растений от уреза воды

Ближайшие

населенные пункты

Географические координаты

№ 1

Пойма

р. Тобол

1–10 м

д. Шашова

N 56.2218,

Е 66.1744

№ 2

Пойма

р. Тобол

1–5 м

с. Упорово

N 56.1824,

Е 66.1244

№ 3

Старица

р. Тобол

1–4 м

с. Новолыбаево

N 56,2923,

Е 66,2118

№ 4

Старица

р. Тобол

1–4 м

с. Ярково

N 57,2359,

Е 67,0256

Из многолетних травянистых растений были исследованы осока острая (Carex acuta L.) и тысячелистник иволистный (Achillea salicifolia Besser), из кустарников – ива пепельная (Salix cinerea L.), из деревьев – ива белая (Salix alba L.).

У всех исследуемых растений отбирали листья, у ивы белой дополнительно – кору. Отбор образцов проводили в пятикратной повторности на каждом участке. Отбор образцов почвы проводили на тех же участках, сопряженно с пробами растений в пятикратной повторности на глубине 0–15 см.

Образцы почв высушивали при 105 °С, образцы растений высушивали до воздушно-сухого состояния и затем озоляли при 450 °С в муфельной печи. Перед анализом навески почвенных и растительных образцов подвергали двукратной обработке 2н HCl.

Удельную активность радиоактивных изотопов 90Sr и 137Cs в образцах растений и почвы определяли на гамма-бета спектрометре «Гамма Плюс» с использованием программного обеспечения «Прогресс-5». Математическую обработку результатов проводили в программе «Past 3.16» с использованием методов описательной статистики и дисперсионного метода (наименьшая существенная разность).

Биогенную аккумуляцию радионуклидов 90Sr и 137Cs растениями прибрежных зон бессточных водоемов (оз. Имбиряй и оз. Чигиркуль) не исследовали в связи с их минимальным накоплением в почвенном покрове и отсутствием прямой геохимической связи этих участков с водоемами Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследованные растения относятся к экологической группе прибрежно-водных макрофитов с высокой и умеренно активной интегральной встречаемостью в поймах рек южно-таежной зоны Обь-Иртышского бассейна [7]. Растения относились также к разным жизненным формам: травянистые, кустарники и деревья. В табл. 2 представлены данные по удельной активности радионуклидов в растениях исследуемых участков поймы и стариц р. Тобол.

Таблица 2

Удельная активность радионуклидов в золе растений пойменных участков и стариц р. Тобол, Бк/кг

Место отбора растений

Вид растений

90Sr

137Cs

Пойма р. Тобол участок

Осока острая

278 ± 12

1112 ± 19

Тысячелистник иволистный

109 ± 7

313 ± 11

Ива белая

95 ± 5

252 ± 9

Ива белая (кора)

342 ± 13

1251 ± 21

Ива пепельная

88 ± 7

194 ± 11

Пойма стариц р. Тобол

Осока острая

104 ± 8

447 ± 15

Тысячелистник иволистный

49 ± 5

84 ± 7

Ива белая

51 ± 4

57 ± 9

Ива белая (кора)

135 ± 12

338 ± 9

Ива пепельная

47 ± 6

97 ± 11

НСР05

17

23

Допустимая удельная активность, не более [8]

200

400

Как показали результаты, в исследованных участках поймы р. Тобол накопление изотопов 90Sr и 137Cs в надземной фитомассе исследованных видов растений в 2–2,5 раза выше, чем в поймах аналогичных видов в прибрежной зоне стариц р. Тобол.

Изотоп 137Cs аккумулируется растениями более активно по сравнению со 90Sr. У исследованных растительных объектов повышенное накопление изотопов 90Sr и 137Cs отмечено в коре ивы белой и в листьях осоки острой. В отношении биологических объектов ПДК радионуклидов 137Cs и 90Sr разработаны только для оценки безопасности лекарственных растений (табл. 2) [8]. Накопление исследованными растениями стронция свыше ПДК наблюдалось только у осоки острой и в коре ивы белой в пойме основного русла р. Тобол. Содержание изотопа 137Cs в пойме р. Тобол и в прибрежной зоне стариц выше фармакопейной ПДК отмечено в листьях осоки острой и в коре ивы белой.

Согласно данным других авторов, растения из группы прибрежно-водных макрофитов накапливают 90Sr и 137Cs существенно меньше, чем растения из группы водных растений. Так, нитчатые зеленые водоросли рода кладофора (Cladophora Kütz.) на некоторых участках р. Течи, протекающей по территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, могут накапливать 90Sr до 711 Бк/кг сухой массы [2].

Удельную активность техногенных изотопов анализировали в верхнем слое почв глубиной 0–15 см, поскольку повышенная аккумуляция данных радионуклидов наблюдается в верхних почвенных горизонтах и существенно снижается в глубоких слоях [2]. В настоящей статье данные по удельной активности радионуклидов в почвах пойм р. Тобол не приводятся, поскольку они подробно представлены в одной из наших ранних работ [1].

По данным анализа радионуклидов в золе растений и в почвах, отобранных сопряженно в пределах каждого участка, были рассчитаны коэффициенты накопления изотопов 90Sr и 137Cs в исследуемых видах, произрастающих в прибрежных зонах разного типа: южно-таежных участках поймы основного русла и стариц р. Тобол. Таким образом, коэффициент накопления представляет собой отношение удельной активности изотопов 90Sr и 137Cs в золе растения к удельной активности радионуклидов в почве.

В условиях гидроморфных (пойменных) экосистем наблюдалась интенсивная биогенная аккумуляция радионуклидов исследуемыми видами растений. Коэффициенты накопления 90Sr варьировали от 2,5 до 10,5, 137Cs – от 8 до 102,5 (табл. 3). По данным других исследователей, коэффициенты накопления у элодеи (группа водных растений) существенно выше и составляют в среднем для 90Sr – 1371 и 137Сs – 3435 [2].

Таблица 3

Коэффициенты накопления радионуклидов в растениях пойменных участков и стариц р. Тобол

Место отбора растений

Вид растений

90Sr

137Cs

Пойма р. Тобол участок

Осока острая

7,5

90

Тысячелистник иволистный

3

25,5

Ива белая (листья)

2,5

20,5

Ива белая (кора)

9

102,5

Ива пепельная

2,5

16

Пойма стариц р. Тобол

Осока острая

8,5

64

Тысячелистник иволистный

4

12

Ива белая (листья)

4

8

Ива белая (кора)

10,5

49

Ива пепельная

4

14

Наиболее высокие коэффициенты накопления радионуклидов установлены нами в листьях осоки острой и в коре ивы белой.

Данные литературы по дифференциации радионуклидов в органах растений неоднозначны. Одни авторы отмечают повышенное содержание 90Sr и 137Cs в листьях деревьев и трав по сравнению со стволами древесных форм [5], по данным других исследователей, наиболее загрязненными изотопами 90Sr и 137Cs являются наружные (кожица и пробка) и внутренние слои (лубяные волокна и флоэма) коры древесных растений (дуба, ольхи, липы) [6]. Вероятно, существенное влияние на распределение радионуклидов в органах и тканях растений оказывают путь их миграции (атмосферные выпадения, грунтовые и поверхностные воды) в той или иной экосистеме и, соответственно, корневой или внекорневой механизм поглощения растениями.

Заключение

Как показали результаты исследований, техногенные радиоактивные изотопы 137Cs и 90Sr активно накапливаются в надземных вегетативных органах прибрежно-водных растений, произрастающих в поймах р. Тобол. Накопление радионуклида 137Cs происходит более интенсивно по сравнению с изотопом 90Sr.

Исследуемые растения проявили видовые особенности в накоплении 137Cs и 90Sr и их распределении по органам.

Наиболее высокая биогенная аккумуляция установлена в листьях осоки острой и в коре ивы белой. Вероятно, высокое накопление радионуклидов в коре ивы белой можно объяснить удалением токсичных элементов в ткани растений с низкой метаболической нагрузкой. В случае осоки высокое накопление изотопов 137Cs и 90Sr связано, вероятно, с постоянным контактом с речными и поверхностными водами поймы, содержащими радионуклиды, поступающие из рек Восточно-Уральского радиоактивного следа. Минимальное накопление 137Cs и 90Sr установлено в листьях ивы белой и тысячелистника иволистного. Исследованные виды растений проявляют высокую и умеренно активную интегральную встречаемость в пойменных экосистемах рек Обь-Иртышского бассейна и могут представлять собой источник вторичного поступления радионуклидов с опадом фитомассы.

Несмотря на длительный период, прошедший с момента радиационных катастроф и испытания ядерного оружия, согласно результатам наших исследований и данным других авторов, в экосистемах пресноводных водоемов на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа отмечаются повышенная геохимическая миграция и биогенная аккумуляция техногенных радионуклидов. Территория нуждается в периодическом мониторинге радиационной обстановки.

Продолжение исследований видится нам в расширении числа исследуемых экологических групп и видов растений, изучении распределения радионуклидов в органах и тканях растений, а также в изучении сезонной и многолетней динамики радиационной обстановки в компонентах пресноводных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа и сопряженных территорий.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы «Антропогенная трансформация пойменных экосистем Обь-Иртышского бассейна» (№ НИОКТР АААА-А19-119012190088-0).


Библиографическая ссылка

Кайгородов Р.В. БИОГЕННАЯ АККУМУЛЯЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ 137CS И 90SR РАСТЕНИЯМИ ЭКОСИСТЕМ ПОЙМЫ Р. ТОБОЛ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 12. – С. 80-84;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37541 (дата обращения: 18.07.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674