Радионуклиды в основных компонентах некоторых озерных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ И ФИЗИКА

УДК 574:539.1.04[591.5+536.16]

ББК 28.070

Мухаметшина Лилия Федоровна

ассистент кафедра химии Челябинский государственный педагогический университет

г. Челябинск Дерягин Владимир Владиславович кандидат географических наук кафедра географии Челябинский государственный педагогический университет

г. Челябинск Mukhametshina Lilya Fedorovna Assistant Chair of Chemistry Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk Deryagin Vladimir Vladislavovich Candidate of Geography Chair of Geography Chelyabinsk State Pedagogical University Chelyabinsk

Радионуклиды в основных компонентах некоторых озерных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа Radionuclides in the Major Components of Some Lake Ecosystems of the

East-Ural Radioactive Trail

Рассмотрено содержание и распределение долгоживущих радионуклидов в воде, донных отложениях и почвах водосборных территорий озер Куяныш, Травяное и Большой Игиш, расположенных на территории ВосточноУральского радиоактивного следа (ВУРС). Представлены данные по физикохимическим свойствам воды, донных отложений и почв исследуемых водоемов, выявлены особенности пространственного распределения и накопления поллютантов в исследованных компонентах озерных экосистем.

The article considers the content and distribution of the long-lived radionuclides in the water, bottom silts and soils at the catchment areas of the lakes Kuyanysh, Travyanoe and Bolshoi Igish, located on the territory of the East-Ural radioactive trail (EURT). The paper presents data on the physico-chemical properties of water, bottom silts and soils of the studied water bodies, as well as the peculiarities of the spatial distribution and accumulation of pollutants in the examined components of the lake ecosystems.

Ключевые слова: Восточно-Уральский радиоактивный след,

химические поллютанты, физико-химические свойства, радиоактивное

90 137

загрязнение, Sr, Cs, удельная активность, распределение.

Key words: the East-Ural radioactive trail, chemical pollutants, physico-

90 137

chemical properties, radioactive pollution, Sr, Cs, specific activity, distribution.

Высокая техногенная нагрузка на экосистемы является особенностью экологической обстановки на территории Уральского региона, которая связана с деятельностью многочисленных предприятий черной и цветной металлургии, теплоэнергетики и оборонного цикла. Кроме того, отмечено существование больших площадей радиационно загрязненных земель в результате сброса радиоактивных отходов в р. Теча в 1949 - 1956 гг. аварий на ПО «Маяк» 1957 и 1967 гг.[3, 7, 8].

Искусственные радионуклиды, попавшие в природную среду, являются уникальным маркером, позволяющим количественно оценить процессы переноса и рассеяния химических элементов в пресноводных экосистемах [9].

На территории ВУРСа, образовавшегося в результате инцидентов на ПО «Маяк», находятся более 30 озер, различающихся литологическим составом котловин, морфометрическими параметрами, условиями формирования гидрохимического состава стока с водосборов и площадью водосбора [6, 9].

90 137

Основными аккумулирующими средами Sr, Cs на исследуемой территории служат вода, донные отложения и почвы водосборных территорий. При этом вода озер является как транспортной средой (поверхностный и внутрипочвенный сток в прибрежных экосистемах), так и субстратом, в котором протекают первые процессы трансформации химических форм радионуклидов [3]. Илы в свою очередь позволяют проследить динамику процессов накопления и миграции долгоживущих радионуклидов в озерных экосистемах с учетом диффузионно-конвективных процессов переноса [1, 8, 9].

В настоящей работе представлены данные по физико-химической

90 137

характеристике, содержанию и распределению радионуклидов Sr и Cs в воде, донных отложениях и почвах водосборных территорий озер Большой Игиш (Б. Игиш), Куяныш и Травяное, расположенных в 60 -80 км от места взрыва. В результате аварии 1957 г. с водосборной территории оз. Б. Игиш была отселена деревня Игиш [3]; с 1958 г. экосистема озера развивается практически без влияния хозяйственной деятельности (естественным путем),

что представляет интерес в исследовании распределения радионуклидов в компонентах экосистемы. Населенных пунктов на водосборе оз. Травяное нет. На северном берегу оз. Куяныш расположена деревня Гаево, озеро активно используется местным населением в хозяйственно-бытовых целях [2].

Исследуемые водоемы различаются морфометрическими параметрами, но являются однотипными по характеру протекания в них процессов, присущих озерам климатической зоны с достаточным увлажнением. Озера Б. Игиш, Куяныш и Травяное расположены на севере Челябинской области (Средний Урал), в зоне геоморфологических структур Зауральской всхолмленной равнины. Котловины их лежат на линии разрывных тектонических нарушений. Климат района исследований переходный между умеренно-континентальным и континентальным. По соотношению водного баланса изученные озера являются бессточными. Их основное питание осуществляется с осадками и водами поверхностного и подземного стока. По соотношению между стоком и испарением озера находятся в подзоне преобладающего испарения, доля осадков и испарения в водном балансе не превышает 75 % [3]. Годовое количество осадков около 470 мм. Водосборы исследуемых озер лежат в зоне северных осиново-березовых лесостепей и восточного выступа южной светлохвойной тайги, с доминированием сосново-березовых лесов [3, 7].

Пробоподготовка образцов воды, донных отложений и почв, а также последующие аналитические исследования проводились на базе физикохимической лаборатории естественно-технологического факультета ЧГПУ. Были определены следующие физико-химические характеристики донных отложений и почв водосборных территорий исследованных озерных экосистем: влажность, потери при прокаливании, содержание гумуса (углерод) по Тюрину, рН водной и солевой вытяжек, БИ водной вытяжки, содержание хлоридов и

сульфатов, содержание водорастворимых Са2+ и М^2+, обменных оснований

2+ 2+

Са и Mg , обменная кислотность по Дайкухара [1, 5]. Содержание радионуклидов определялось на биологической станции в отделе континентальной радиоэкологии Института экологии растений и животных.

137

Определение Сб производилось у-спектрометрическим методом [4]. Принцип

метода основан на измерении энергии и интенсивности испускаемых радионуклидами у-квантов. Относительная погрешность измерения составляет менее 15 % при доверительной вероятности р=0,95. Определение 90Sr проводят после предварительного выделения в виде оксалатов [4]. Измерение бета-активности выделенных препаратов проводится на малофоновой установке УМФ-2000. Относительная погрешность метода при доверительной вероятности р=0,95 составляет менее 20 %. Полученные результаты подвергались обработке методами статистического анализа с использованием программного обеспечения Stat Soft, SPSS Inc, MS Excel .

Исследованные озера относятся к пресным водоемам. Воды данных озер принадлежат к гидрокарбонатному классу, характерен содовый (I) тип; в катионной группе доминирует двухвалентный магний (дл оз. Куяныш и Травяное); двухвалентный кальций (для оз Б. Игиш). По величине среднегодовой рН озерной воды было определено, что исследованные озера подразделяются следующим образом:

• рН 7 - S (озера Б. Игиш, Травяное);

• рН 9,5 (озеро Куяныш,).

Значения рН воды озера Б. Игиш и Травяное тяготеют к промежуточным формам (эпизодически отмечены рН менее 7 и менее 8 соответственно). Оз. Травяное - зарастающий водоем с разобщенными плесами, процессы заболачивания отмечены также и на озере Б. Игиш, что отразилось на величине рН. Для изученных озер не отмечено существенного антропогенного загрязнения биогенными веществами. Также в исследованных водоемах отмечено незначительное количество органического вещества; его распределение в озерах соответствует местному зонально-ландшафтному типу: от 5 до 14 мгО/л (перманганатная окисляемость) до 41 - 80 мгО/л (ХПК).

90 137

Современные значения удельных активностей радионуклидов Sr и Cs в исследуемых озерах ВУРСа представлены на рис.1 и 2.

ш

ц

0)

>?

1

0,1 -

0,01

1 1 вг-90 Уровень вмешательства

Е

Б. Игиш

Куяныш

Травяное

Рис. 1. Концентрация 90Бг в воде озер в сравнении с уровнем вмешательства

Анализируя данные, представленные на рис. 1, можно отметить

следующее:

- наблюдается снижение удельной активности 90Бг в воде озер по мере удаления от источника взрыва;

- несмотря на то, что озера Травяное и Куяныш расположены на

90с

одинаковом расстоянии от места взрыва, уровни удельной активности Ьг в воде этих озер различаются в два раза, что связано с различными уровнями первоначального загрязнения и различиями в динамике самоочищения водоемов [2, 3].

0,25

0,20

"2

ш

о 0,15

5 0,10 I

ц

ф

0,05

0,00

Б.Игиш

08-137

Уровень фона по России

Куяныш

1—1

X

Травяное

137

Рис. 2. Концентрация Сб в воде озер в сравнении с уровнем вмешательства

Как свидетельствуют данные, представленные на рис. 2, только для оз. Травяное значения удельной активности 137Сб ниже уровня фоновых концентраций, для остальных озер они превышают фон, но значительно меньше уровня вмешательства.

90 137

Исследование сезонных изменений концентраций Ьг и Сб в воде озер показало, что различие удельной активности по сезонам (гидрологические зима и лето) и глубинам (поверхностная, придонная) незначительно и, в среднем, не превышает 20 - 30 %.

Сопоставляя современные уровни удельной активности водной массы исследованных озер (рис. 1, 2) с уровнем вмешательства (НРБ-99/2009), можно отметить, что вода озер Куяныш, Травяное не требует очистки от радионуклидов и поэтому может быть использована для хозяйственных целей.

Изучение поверхностных донных отложений и анализ коротких колонок в центральных частях озер выявило, что существует отличие в стратификации илов, взятых в периоды гидрологического лета и гидрологической зимы. При отборе наблюдалась стандартная закономерность изменения внешнего вида донных отложений в зависимости от физико-химических параметров водной массы водоема [13]: пресные - коричнево-бурые (зеленоватые), рыхлые, слабоконсолидированные, органогенные грубо- и мелкодетритные донные осадки.

На рис. 3 представлены средние значения распределения радионуклидов

90 137

Ьг и Сб (%) по профилю донных отложений оз. Б. Игиш. Ошибка средней

90 137

при расчете процентного содержания Ьг составляет не более 50 %, по Сб 35 %.

Глубина, см

90 137

Рис. 3 Распределение Ьг и Сб по колонке грунтов оз. Б. Игиш

90 137

Анализируя распределение Ьг и Сб по вертикальной колонке донных отложений в слое 0-30 см (рис. 4.), можно отметить следующее:

90 137

- большая часть Ьг и Сб находится в слое 0-20 см, где их содержание составляет 80-90 %;

90

- динамика изменения активности Ьг в данном слое почти не отличается

137

от таковой для Сб, расхождения значений составляют не более 2-4 %;

- наблюдается пик содержания радионуклидов на глубине 15 см, что совпадает с положением аналогичного пика в донных отложениях большинства изученных озер;

- в приповерхностных слоях локализовано до 17 % исследованных

90 137

радионуклидов, с 25-го см происходит снижение содержания Ьг и Сб.

90 137

Небольшой процент активности Ьг и Сб в поверхностных слоях донных отложений может быть связан с большой степенью обводненности и наличием крупнозернистых иловых агрегатов, обуславливающих низкую сорбционную способность таких грунтов [6].

На рис. 4 представлены средние значения распределения радионуклидов

90 137

Ьг и Сб (%) по профилю донных отложений оз. Травяное.

Глубина, см 90 137

Рис. 4. Распределение Ьг и Сб в донных отложениях оз. Травяное

90 137

Содержание Ьг и Сб в слое 0-10 см составляет 35 и 30 % соответственно, а в слое 0-20 см - по 95 % от общего запаса в колонке 0-26 см.

Анализируя распределение радионуклидов по профилю колонок донных отложений, можно отметить, что содержание 90Ьг в слое 0-10 см для оз. Куяныш составляет 80% от общего запаса в слое 0-26 см (длина колонки на на оз.

137

Куяныш 42 см). Содержание Сб для слоя 0-10 см оз. Куяныш составляет 75%.

90 137

Оз. Куяныш характеризуется более высоким процентом активности Ьг и Сб в верхних слоях грунтов.

Определены значения коэффициентов накопления (Кн) радионуклидов

90 137

Ьг и Сб донными отложениями озера Б. Игиш: слой илов от 0 до 20 см значение коэффициента накопления 90Ьг составляет порядка 650; с 20 до 45 см

137

- порядка 950. Кн Сб в илах исследуемого водоема 12000 (слой 0-20 см) и

90 137

11000 (слой 20-45 см). Кн Ьг и Сб илами оз. Куяныш значительно ниже и составляют 399 и 1630 соответственно.

Согласно полученным данным, величина коэффициентов накопления радионуклидов зависит от степени минерализации воды, а также структуры донных отложений. Так, в солоноватом Б. Игише наблюдается накопление 90Ьг в верхних слоях донных отложений после сезонного отмирания биоты. Кроме того, специфика грунтов оз. Б. Игиш (высокое содержание органического вещества, «оторфованность») создает условия для миграционной активности

90Ьг, что также объясняет более высокие значения Кн по сравнению с оз. Куяныш.

Почвы водосборных территорий исследованных озер лежат в области преимущественного распространения луговых и серых лесных почв [6, 8]. Характерные почвы для водосбора озера Б. Игиш - серые лесные с полугидроморфным разновидностями - луговыми почвами. На водосборах озер Куяныш и Травяное распространены также почвы серые лесные и, кроме того, лугово-черноземные, опесчаненные.

Рассматриваемые почвы характеризуются величинами рН водной вытяжки в супераквальном разрезе от слабощелочных (Травяное), нейтральных (Б. Игиш) и слабокислых (Куяныш). Для элювиального разреза характерны следующие значения рН водной вытяжки: от слабокислых (Травяное,

водораздел Б. Игиша), до кислых значений (Куяныш). Величина окислительновосстановительного потенциала колеблется от 292 до 415 мВ, что подтверждает наличие аэробных условий с хорошим промывным режимом в исследованных почвах. Неблагоприятные анаэробные условия в почве развиваются при значениях БИ менее 200 мВ [3].

90 137

Характерные черты распределения и миграции Ьг и Сб в почвенных разрезах элювиальных, а также супераквальных элементов ландшафта водосборных территорий рассмотрены на примере озер Б. Игиш и Травяное. Для элювиальных элементов ландшафтов водосборных территорий исследованных озер характерен непромывной или периодически промывной режим. Такие условия могут быть приравнены к плакорам, вынос веществ с

90 137

которых (в том числе Ьг и Сб) затруднен.

Для исследованных почвенных разрезов характерно концентрирование радионуклидов в верхнем (0 - 10 см) слое и постепенное уменьшение их содержания вниз по почвенному профилю. В качестве примеров строения почвенного профиля и распределения радионуклидов по разрезу рассмотрены супераквальные элементы ландшафта водосборов изученных озер.

Распределение радионуклидов по профилю почвенных разрезов супераквальных ландшафтных элементов водосборов исследуемых озер

90

показывает, что пик максимального содержания Ьг приходится на гумусовые горизонты (А1) почв. Этот факт объясняется высоким содержанием органического вещества, образующего малоподвижные соединения с Са и Ьг [6, 9].

Повышенной миграционной способностью 90Ьг характеризуются почвы

90 137

оз. Травяное (содержание Ьг в слое 0-10 см составляет 46 %, Сб - 54 %), так как они затопляются водами озера с периодичностью 30-40 лет [1]. Для оз. Б. Игиш содержание 90Ьг в данном слое составляет 66 % от общего запаса в

137

почвенном профиле, Сб - 71 %.

Если в почвах ближней зоны весь 90Ьг сосредоточен в верхнем 10-сантиметровом слое, то для почв дальней зоны характерно несколько иное распределение, а именно, наблюдается большее проникновение 90Ьг по профилю и более 80 % радионуклида находится в слое 0-20 см. Возможно, это связано с фракционированием продуктов выброса [9], изменением соотношения

90 137

Ьг/ Сб к концу следа, наличием большего числа мелкодисперсных частиц и, вследствие этого, большей миграционной способностью радионуклидов в почвах дальней зоны ВУРСа.

Таким образом, выявлено, что общие закономерности процессов

90 137

миграции и аккумуляции Ьг и Сб в системе: вода- донные отложения- почвы водосборной территории озерных экосистемам ВУРСа (Б. Игиш, Куяныш, Травяное) определяются гидрологическими особенностями исследованных водных биогеоценозов: геоморфологическими особенностями котловин озер и водосборной территории; гипсометрическим положением; соотношением площадей зеркала озера и водосбора; минерализацией водной массы; степенью трофности водоема; физико-химическими свойствами радионуклидов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ - Урал (проект № 10-0596012).

Авторы выражают глубокую благодарность Заслуженному экологу РФ, заведующему Отделом континентальной радиоэкологии и Биофизической станции ИЭРиЖ, д.б.н., профессору А.В. Трапезникову, старшему научному сотруднику Отдела континентальной радиоэкологии и Биофизической станции

ИЭРиЖ, к.б.н. В.Н. Трапезниковой, научному сотруднику Отдела

континентальной радиоэкологии и Биофизической станции ИЭРиЖ Р.В. Кузьминой, зав. лабораторией геоэкологии и техногенеза Института минералогии УрО РАН Удачину В.Н., к.х.н., доценту А.А. Сутягину, заведующему отделом окружающей среды, д.б.н. В.А. Костюченко, старшему научному сотруднику отдела окружающей среды УНПЦ РМ И.Я. Поповой, старшему научному сотруднику отдела окружающей среды УНПЦ РМ, к.б.н. Л.М. Перемысловой

Библиографический список

1. Алимов, А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем / А.Ф. Алимов // Гидробиологический журнал. - 1990. - Т.26. - № 6. - с. 3 - 12.

2. Захаров, С.Г. Современное радиоэкологическое состояние озер Большой и Малый Игиш / С.Г. Захаров, В.В. Дерягин, С.Г. Левина // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: материалы регион. науч.-практ. конф. (6-8 апр. 2004). -Челябинск, 2004. - С.77-81.

3. Левина, С.Г. Закономерности поведения 90Sr и 137Cs в озерных экосистемах Восточно-Уральского радиоактивного следа в отдаленные сроки после аварии: автореф. дис. ... д -ра биол. наук / С.Г. Левина. - М., 2008. - 48 с.

4. Методика выполнения измерений удельной активности цезия-137 и стронция-90 в почвах и донных отложениях. Свидетельство № Ч 150/2002 об аттестации методики выполнения измерений // Гос. ком. РФ по стандартизации и метрологии. - 2002.- 143 с.

5. Муха, В.Д. Агропочвоведение / Н.И. Картамышев , Д.В. Муха Под ред. В.Д. Мухи. - М.: Колос, 2003. - 528 с.

6. Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. - М.: Высш. шк., 2002. - 334 с.

7. Природа Челябинской области / под ред. М.А. Андреевой. - Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2000. - 269 с.

8. Трапезников, А.В. Миграция радионуклидов в пресноводных и наземных экосистемах/ И.В. Молчанова, Е.Н. Караваева, В.Н.Трапезникова. Том II. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - 400 с.

9. Long, E.L. Predicting toxicity in marine sediments with numeric sediment quality guideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem. - 1998. - Vol.17. -P.714-727.

Bibliography

1. Alimov, A.F. The Main Positions of the Theory of Water Ecosystem Functioning / A.F. Alimov // Hydrobiological Journal. - 1990. - t.26. - №6. - P. 3-12.

2. Levina, S.G. Dependences of 90Sr and 137Cs Conduct in Water Ecosystem of the EURT in Postdamage Period / S.G. Levina. - M., 2008. - 48 p.

3. Long, E.L. Predicting Toxicity in Marine Sediments with Numeric Sediment Quality Guideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem. - 1998. - Vol.17. -P.714-727.

4. Mukha, V.D. Agropedology / N.I. Kartamyshev, V.D. Mukha. - M.: Kolos, 2003. - 528 p.

5. Orlov, D.S. Ecology and Protection of Biosphere in Chemical Pollution / D.S. Orlov, L.K. Sadovnikova, I.N. Lozanovskaya. - M.: Higher School, 2002. - 334 p.

6. The Nature of Chelyabinsk Region / M.A. Andreeva. - Chelyabinsk: ChSPU, 2000. -

269 p.

7. The Methodology of Measuring 137Cs and 90Sr in Soils and Bottom sediments // State Com. of the RF by Standardization and Metrology. - 2002. - 143 p.

8. Trapeznikov, A.V. Migration of Radionuclides in Limnetic and Terrestrial Ecosystems / I.V. Molchanova, E.N. Karavaeva, V.N. Trapeznikova- Yekaterinburg: Ural University, 2007. -400 p.

9. Zakharov, S.G. Current Radiological Condition of the Bolshoi and Maly Igish Lakes /

S.G. Zakharov , V.V. Deryagin, S.G. Levina // Problems of the Ural Geography and Territories: Materials of Regional Scientific-and-Practical Conference (April, 6-8, 2004). - Chelyabinsk, 2004. - P. 77-81.