Закономерности перемещения радиоактивных веществ в биосфере

ЗАКОНОМЕРНОСТИ  ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ  В БИОСФЕРЕ

Миграция радионуклидов  осуществляется по следующим основным пищевым цепям:

водоемы — фитопланктон (водоросли и т. п.) — зоопланктон  — моллюски — рыба — человек; сточные воды — почва — растения — человек;

атмосфера (ветер, дождь) —  почва — растения (злаки, овощи, ягоды, грибы) — человек; почва — растения — коровы — молоко — человек; почва — растения — домашние и дикие животные — мясо —  человек.

Радионуклиды в экосистемах  могут находиться в составе различных  химических соединений, входить в  разнообразные компоненты почвы и биоты. Оценка их состояния в экосистемах и почвах предполагает количественную характеристику содержания различных химических, физических и физико-химических форм отдельных радионуклидов. Непосредственно после загрязнения соотношение этих форы зависит от состава исходных соединений, в которых превзошло атмосферное выпадение. В дальнейшем они будут трансформироваться в результате их взаимодействий с различными соединениями, входящими в состав почв, растений и других компонентов экосистемы. 
Как отмечено, исходные формы радионуклидов в составе аэральных выпадений делят на две большие группы: мобильные, хорошо растворимые и доступные для растений соединения и устойчивые, слаборастворимые и, соответственно, малодоступные для растений соединения, обычно представленные твердыми частицами различного состава и происхождения. В результате взаимодействия с различными компонентами экосистем, прежде всего с почвами, исходные формы радионуклидов могут существенно трансформироваться. В частности, радионуклиды из состава мобильных соединении могут переходить в стабильные. практически недоступные для растений. Наоборот, исходно устойчивые твердые частицы аэральных выпадений в природной среды могут постепенно разрушаться с освобождением радионуклидов и переходом их в мобильное состояние. 
Соотношение между первой и второй формами существенно зависит от типа выпадения и источника загрязнения (ядерный взрыв, тепловой взрыв реактора и др.), расстояния от места взрыва или аварии, химической природы радионуклида и других факторов. состояние радионуклидов в экосистемах, как и состав удерживающих их индивидуальных соединений (природных носителей), не являются постоянными во времени. Постепенно происходит трансформация одних форм в другие, а также пространственное перемещение радионуклидов. Совокупность всех этих процессов определяют как поведение радионуклидов. 
Пол поведением радионуклидов в экосистеме понимают их участие в процессах трансформации и массопереноса веществ различной природы. Это процессы сорбции и десорбции, растворения, осаждения и соосаждения, комплексообразовання, поступления в биоту и включения в биогеохимические циклы, необратимого выноса из экосистемы в результате эрозии, лесных пожаров и т. п. 
Поведение, как и состояние разных радионуклидов, неодинаково и существенно зависит от общего времени их нахождения в экосистеме. В связи с этим следует различать первичные взаимодействия радионуклидов с компонентами экосистем и вторичные процессы их трансформации и пространственного перераспределения в экосистемах, ландшафтах и биосфере в целом. 
Процессы вторичного перераспределения радионуклидов между природными объектами направлены на стабилизацию состояния радионуклида в экосистеме, т. е. на установление относительно стабильных соотношений между формами радионуклидов, стабилизацию главных потоков, составляющих биогеохимический цикл каждого радионуклида, и выравнивание противоположно направленных потоков. Таким образом, общая направленность процессов изменения состояния и поведения радионуклидов может быть охарактеризовала как стремление к равновесному состоянию. Однако истинное равновесие в экосистеме не может быть достигнуто, поскольку существуют отдельные необратимые процессы с участием радионуклидов, происходящие на различных уровнях структурной организации экосистемы: необратимое сорбционное закрепление почвой (фиксация); необратимый вынос из экосистемы с урожаем сельскохозяйственных культур или в результате водной эрозии и др. Поэтому применительно к состоянию и поведению радионуклида при достижении относительной стабилизации более подходит понятие квазиравновесное состояние, хотя в литературе в том же смысле иногда используют и другие термины (стационарный режим, климаксное состояние и др.).

Радиоактивные продукты ядерного деления, выпадая либо сами по себе («сухие» осадки) или чаще с атмосферными осадками («мокрые» осадки), а также радиоактивные отходы включаются в компоненты биосферы – абиотические (почва, вода) и биотические (флора, фауна) и принимают участие в биологическом цикле круговорота веществ. Наиболее короткий путь поступления радиоактивных продуктов в организм человека кроме непосредственного попадания из атмосферы – через сельскохозяйственные растения и животных. Подвижность радионуклидов в биоценозах зависит от их физико-химических свойств, условий внешней среды и биологических особенностей растений и животных. 

Биологическая доступность  радионуклидов ядерных взрывов  определяется видом взрыва. При наземных взрывах на силикатном грунте частицы  локальных выпадений характеризуются  слабой растворимостью, и следовательно, низкой биологической доступностью. Радионуклиды локальных выпадений подводных и подземных (с выбросом) взрывов обладают высокой биологической доступностью. Высокую биологическую доступность имеют радионуклиды тропо- и стратосферных выпадений, оседая на поверхность земли в форме мелкодисперсных частиц. Выбросы АЭС и РХЗ также характеризуются высокой биологической доступностью. Биологическую доступность техногенных радионуклидов урана на стадии добычи и переработки руды можно оценивать на уровне их доступности в естественных условиях.

В растения радионуклиды поступают  в результате непосредственного  загрязнения и из почвы. Прямое загрязнение  из радиоактивного облака сельскохозяйственных растений в период их вегетации имеет  особо важное значение. Доля задержки радиоактивных выпадений растительным покровом определяется их физическими свойствами и видом растений. По степени задерживания растения могут быть расположены в ряд: капуста > свёкла > картофель > пшеница > естественная травяная растительность. Дальнейшая судьба задержанных частиц зависит от их растворимости и скорости удаления под действием дождя и других процессов. Нерастворимые радионуклиды загрязняют растения только с поверхности, а растворимые поглощаются через листья, стебли и плоды. Процессы ресорбции протекают сравнительно быстро. По скорости листовой абсорбции радионуклиды можно расположить в ряд: Cs > Ba > Sr > Ru

НЕКОРНЕВОЕ ПОСТУПЛЕНИЕ  РАДИОНУКЛИДОВ В КОРМОВЫЕ КУЛЬТУРЫ

И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ИМИ ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА

Радиоактивные вещества, попадая  из атмосферы на земную поверхность, могут поступать в растения, оседая на их надземных частях. Одни радионуклиды прочно сорбируются, другие смываются дождем, третьи проникают в растения и участвуют в обмене веществ в процессе их роста и развития. Загрязнение рек, озер и других водоемов происходит в результате оседания радионуклидов на их поверхности и путем смыва их дождевыми осадками, паводковыми и другими водами. Естественный травостой и сеяные многолетние травы удерживают 20-40% выпавших нуклидов. На пашне сразу после выпадения более 97% радиоактивных веществ сосредоточивается в верхнем двухсантиметровом слое. В дальнейшем происходит постепенная миграция радионуклидов в глубь почвы.

Через листья в растения проникает от 20 до 60% ¹³⁷Cs. Листья молодых растений поглощают радионуклиды в значительно больших количествах, чем листья растений, заканчивающих рост и развитие. В зависимости от погодно-климатических условий время потерь радионуклидов растениями изменяется. Период полупотерь фракции радионуклидов стронция разными сельскохозяйственными культурами составляет от 2 до 28 сут. Сведения о скорости полуочищения поверхностно загрязненных кормовых растений от радионуклидов имеют прикладное значение для составления прогноза уровня радиоактивного загрязнения растений и принятия мер снижения поступления радионуклидов в кормовые культуры. Сведения о количестве и длительности пребывания радионуклидов на стеблях имеют важное значение для определения рациональных сроков и технологии уборки урожая.

Загрязнение растений радиоактивной пылью происходит при поднятии ее с поверхности земли ветром, пасущимися животными, при разбрызгивании каплями дождя и обработке или уборке урожая сельскохозяйственными машинами. При некорневом загрязнении растительности переход их из корма в организм животных и продукцию животноводства, как правило, выше, чем при корневом поступлении. Для оценки перехода радионуклидов из выпадений в кормовые культуры, организм сельскохозяйственных животных, в получаемую продукцию применяют коэффициенты пропорциональности. Эти коэффициенты характеризуют взаимосвязь концентрации радионуклидов в кормах или продуктах животного происхождения с уровнем выпадения их из атмосферы. При глобальных выпадениях наиболее высокие концентрации радионуклидов обнаруживаются в продукции растениеводства меньшие – в продукции животноводства. Концентрация Sr и Cs в кормах превосходит концентрацию в молоке соответственно в 100 и 30 раз, в мясе – в 50 и 10 раз. Наибольшей подвижностью в цепи «воздух – растение – животные – продукция животноводства» обладают ⁹⁰Sr,¹³¹I и ¹³⁷Cs, менее подвижны ¹⁰⁶Ru, ¹⁴⁴Се.

РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ  ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ

При выпадении радиоактивных  веществ на территории лесных массивов значительная часть радионуклидов опускается и задерживается кронами деревьев, осаждаясь на листьях, хвое и коре, другая их часть попадает под полог деревьев в травяной покров, лесную подстилку и почву. На опушке леса с наветренной стороны до 50 м в глубь леса их задерживается в 2-10 раз больше, чем в лесных массивах. В хвойных лесах самоочищение происходит медленнее. Обычно на это требуется 3-4 года. Перемещаясь в лесной подстилке и почве, радионуклиды ими прочно фиксируются. В последующем лес надежно предотвращает перенос радионуклидов с водой и ветровой перенос их, способствуя тем самым стабилизации радиоэкологической обстановки на загрязненных землях. Однако со временем в загрязненном лесу усиливается процесс корневого поступления радионуклидов в лесную растительность.

Во время аварии на ЧАЭС наибольшему радиоактивному загрязнению подверглись лесные фитоценозы, особенно хвойные. В них выпало радионуклидов в 5 раз больше, чем на пашне и лугах. Леса служили естественными фильтрами, задерживающими радиоактивные аэрозоли. Исследования радиоэкологической обстановки в лесных комплексах показали, что в год аварии на ЧАЭС до 20% выпавших на территории радионуклидов было адсорбировано на поверхности хвои (листьев), веток и стволов древесных пород. К 1990 г. эта величина составляла менее 1%. В первые 2-3 мес с момента аварии основная масса радионуклидов (до 95%) находилась в лесной подстилке. В настоящее время гамма-активность почв и растений в основном обусловлена Cs, бета-активность – Sr, альфа-активность – изотопами Ри.

В живом напочвенном покрове  лесных насаждений высокой удельной радиоактивностью обладают зеленые мхи и лишайники. Шляпочные грибы имели значительную радиоактивность, на 1-2 порядка выше, чем у сосудистых высших растений. Большой активностью отличались также земляника, малина, черника за счет аккумулирования Sr, Pu.

Из радиоактивных продуктов  деления в первый период наибольшую опасность представляют изотопы йода вследствие высокого содержания и значительной биологической токсичности. Далее изотопы Sr и Cs из-за их относительно высокой энергии излучения, большого периода полураспада и способности активно включаться в биологический круговорот веществ (почва – растения – животные – человек). Эти изотопы способны надолго задерживаться в организме человека и животных. Первый ведет себя сходно с кальцием, второй – с калием. Это обстоятельство имеет практическое значение для радиохимической экспертизы. Например, установлено, что при равных условиях в объектах биосферы, загрязненных радионуклидами, максимальная концентрация Sr всегда обнаруживается в органах (продуктах), физиологически богатых кальцием (кости, яичная скорлупа), а максимальная концентрация Cs – в объектах, богатых калием (например, мышцы).

Содержание Sr по отношению к кальцию в почвах, растениях, молоке и тканях животных выражают в стронциевых единицах (СЕ). Под стронциевой единицей понимают отношение активности (Ки) Sr, содержащегося в 1 кг исследуемого образца, к концентрации в нем кальция (г/кг).

усвоение радионуклидов из почвы в основном не отличается от накопления стабильных изотопов тех же элементов. Из почвы растения поглощают лишь те радионуклиды, которые растворяются в воде. Практическое значение могут иметь долгоживущие радионуклиды, например ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr. По степени поступления из почвы радионуклиды можно расположить в ряд: ⁸⁹Sr > ⁹⁰Sr >¹³¹J > ¹⁴⁰Ba > ¹³⁷Cs > ¹⁰⁸Ru > ¹⁴⁴Ce > ⁹⁰Y > ⁴⁵Zn > ⁹⁵Nb > ²¹⁰Po. Поступление радионуклидов зависит от типа почвы. Наименьший переход наблюдается в регионах, где преобладают чернозёмные почвы, а наибольший – в регионах с торфяно-болотными почвами . Высокие коэффициенты перехода радионуклидов характерны также для песчаных почв.

В организм животных радионуклиды могут поступать через желудочно-кишечный тракт, органы дыхания и кожные покровы. Основной путь – алиментарный, с  загрязнёнными кормами и водой. Накопление радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных и переход их в продукцию животноводства – молоко, мясо и продукты их переработки – зависят от физико-химических свойств радионуклидов, видовых и возрастных особенностей животных и их функционального состояния. Резорбция молодых продуктов ядерного деления, представляющих собой сложную смесь свыше 300 радиоизотопов 36 элементов средней части таблицы Д.И.Менделеева, с высокой биологической доступностью достигает 25 %, а с низкой – десятых долей-единиц процентов. Резорбировавшиеся радионуклиды в организме депонируются крайне неравномерно. По способности концентрировать всосавшиеся радионуклиды молодых продуктов ядерного деления органы можно расположить в ряд: щитовидная железа > печень > почки > скелет > мышцы. Следует особо отметить, что слабо резорбирующиеся радионуклиды в форме биологических комплексов всасываются в значительных количествах. Вопросы обмена радионуклидов освещены в работах.

МИГРАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ  ПО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМ ЦЕПОЧКАМ

Скорость и размеры  корневого усвоения радионуклидов  растениями определяются растворимостью радиоактивных веществ, и физиологическими особенностями растений. Накопление радионуклидов сильно зависит от типа почв: хуже они всасываются из сероземов и черноземов, а лучше всего из торфоболотных и легких почв (песчаные и подзолистые). При некорневом пути поступления более подвижным является Cs. Поступление'"Sr и других радионуклидов происходит при этом в десятки раз медленнее. При корневом поступлении наиболее подвижным является '"Sr. Cs сильнее сорбируется почвой и поэтому в относительно меньших количествах переходит из почвы в растения. По корневому пути из почвы во все последующие годы после выпадения радионуклидов происходит загрязнение грибов, ягод, дикорастущих плодов, лекарственных и кормовых растений.

У травянистых видов идет значительное накопление изотопов цезия  и стронция. Растения естественных кормовых угодий всегда характеризуются  более высокой удельной радиоактивностью, чем сеяные травы и различные сельскохозяйственные культуры. Объясняется это тем, что радионуклиды в почвах естественных кормовых угодий сосредоточены в основном в слое до 5 см, создавая там высокую концентрацию радиоактивных изотопов в единице объема почвы. При перепашке почвы концентрация радионуклидов снижается и создаются условия для их меньшей усвояемости растениями. Это подсказывает путь улучшения естественных кормовых угодий в условиях радиационного загрязнения. За счет корневого поступления в основном происходит накопление радионуклидов и в древесине. Так, через 6 лет после чернобыльских выпадений содержание радионуклидов в древесине возросло в 5-15раз. По способности к накоплению растениями радионуклиды образуют ряд: Zn > Sr, Cs, Fe > Се, Ru, Zr > Pu, Pm, Y, U.