Накопление радионуклидов в древесной растительности в индустриально развитых регионах Кольского полуострова

В работе рассматриваются вопросы пространственного распределения суммарной удельной радиоактивности и содержания природных и техногенных радионуклидов в ассимиляционном аппарате хвойных пород деревьев — ели сибирской и сосны обыкновенной, произрастающих в ряде индустриально развитых регионов центральной части Кольского полуострова. Уделяется внимание влиянию малых доз радиации на интенсивность фотоиндуцированной хемилюминесценции хвои сосны обыкновенной.

Ключевые слова: ель, сосна, мощность экспозиционной дозы, суммарная удельная радиоактивность, природные и техногенные радионуклиды, фотоиндуцированная хемилю-минесценция.

УДК [630:502.55]:621.039.7:614.73]

НАКОПЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ИНДУСТРИАЛЬНО РАЗВИТЫХ РЕГИОНАХ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

© 2006 г. А. Н. Кизеев, *А. Н. Никанов

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина Кольского научного центра РАН, г. Апатиты 'Научно-исследовательская лаборатория ФГУН СЗНЦ гигиены Роспотребнадзора, г. Кировск

Сохранение биосферных функций лесных экосистем в условиях освоения территории Севера является важнейшей международной проблемой. Известно, что лесные биогеоценозы чувствительны к содержанию химических элементов в почве, воде и воздухе [6, 7]. В настоящее время значительная площадь лесов подвергается действию воздушных промышленных выбросов, включая радиоактивное загрязнение [ 1 ]. Древесные фитоценозы способны аккумулировать радионуклиды в больших количествах, чем другие экосистемы [12]. Сконцентрированные в лесной подстилке и коре деревьев радионуклиды при лесных пожарах могут подниматься вместе с дымом в воздух и попадать в тропосферу и даже стратосферу, а затем переноситься по воздуху на большие расстояния [5, 9], вследствие чего риску радиоактивного облучения подвергается население на значительных по площади территориях.

Кольский полуостров — один из наиболее индустриально развитых регионов Крайнего Севера. Здесь расположены крупнейшие предприятия горнодобывающей, обогатительной и металлургической промышленности, ежегодно извлекающие на поверхность земли миллионы тонн горных пород и выбрасывающие в окружающую среду тысячи тонн загрязняющих веществ, среди которых наиболее опасными для природы и человека являются тяжелые металлы и радионуклиды. Помимо этого на территории Кольского полуострова находятся Кольская атомная электростанция (КАЭС), база Северного флота, а также сопутствующие им предприятия [4].

Учитывая насыщенность территории Кольского Севера источниками радиоактивного загрязнения, можно предположить, что происходит миграция радионуклидов в почву и растительность. В связи с этим особую актуальность приобретает радиационно-экологический мониторинг бореальных лесов Кольского полуострова, включающий исследования биологических аспектов влияния радиационного фактора на экологофизиологическое состояние хвойной древесной растительности.

Данной проблематикой впервые серьезно заинтересовались ученые Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина Кольского научного центра РАН, которые совместно с сотрудниками аккредитованной Госстандартом РФ лаборатории радиационного контроля Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН занимаются этими работами с 2004 года.

Методика исследования

Объектом исследований послужила двухлетняя хвоя ели сибирской (Рква obovata Ledeb.) и сосны обыкновенной (Ртиэ эу^взМэ Ь.), произрастающих в индустриально развитых регионах центральной

части Кольского полуострова и являющихся здесь основными лесообразующими породами.

Отбор растительных образцов проводили ежемесячно с июня по сентябрь 2004 года на стационарных пробных площадках, представляющих собой ельники кустарничково-зеленомошные и сосняки кустарничко-во-лишайниковые, произрастающие на подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах [13, 14], приуроченных к 30-километровой зоне действия Кольской АЭС, а также зонам действия медно-никелевого комбината «Североникель» и Кандалакшского алюминиевого завода. Древесная растительность на данных площадках была типизирована в зависимости от степени ее повреждения выбросами комбината «Североникель» (табл. 1).

Образцы хвои (2 — 3 кг) отбирали из верхней третьей части кроны деревьев. Объем выборки на каждой пробной площадке составлял не менее 10 деревьев 60—80-летнего возраста.

Радиационно-экологические исследования хвои ели и сосны включали определение удельной аль-фа-бета-активности, количественного содержания радионуклидов естественного (7Be, '“К 226Ra, 228Т^ 238и и др., Бк/кг) и техногенного (134Сз, 90$г и др.) происхождения, удельной радиоактивности наиболее радиотоксичных нуклидов рядов урана-238 и тория-232 (Бк/к), мощности экспозиционной дозы (МЭД, мкР/ч).

Определение МЭД, удельной радиоактивности, суммарной альфа-бета-активности проводили радиометрическим методом (радиологический комплекс «Прогресс-АБГ», радиометры УМФ-1500Д, ДРГ-01Т и др.). Содержание радионуклидов определяли гамма-спектрометрическим методом (гамма-спектрометр «Прогресс» со сцинтилляционным датчиком №Л/Т1 размером 63 х 63 мм) [10].

Определение удельной радиоактивности 40К проводили по энергетической линии Еу = 1461 КэВ. Удель-

ную радиоактивность отдельных нуклидов определяли матричным способом обработки сцинтилляционных гамма-спектров в энергетических интервалах (КэВ): 380 г 520 г 630 г 720 г 800 г 1300 г 1600 г 1950 г 2800 в основном по энергетическим линиям 226На, 212РЬ, 214РЬ, 228Ас, 208Т1, 212В1, 137Сз и др. (рис. 1).

1 232 ТИ (Ев 240 кэВ) = 65 Бк/кг; 1 232ТИ 226 Ра (Е= 340 кэВ) = 144 Бк/кг; у 137С8 (Е= 662 кэВ) = 122 Бк/кг; " 40К (Е * 1464 кэВ) > 700 Бк/кг; 226 Ра Ь 137С8 1 —'—ияЬ.-.. . ....

5Й0 1000 1500 2000 2£>00 3000 3^00 КэВ

Энергия гамма-излучения PH

Рис. 1. Гамма-спектр хвои сосны обыкновенной: пробная площадка МК4-04, время экспозиции = 1800 сек., масса = 11 г, геометрия — «чашка Петри»

Средние значения погрешности определения радионуклидов гамма-спектрометрическим методом при доверительной вероятности 0,95 были равны 12—15 % для 40К и 137Сз; 14 — 25 % для 226На; 12—17 % для 232^ — в зависимости от концентрации радионуклидов, геометрии измерения и экспозиции.

Определение физиологических показателей хвои сосны включало измерение собственного сверхслабого свечения пигментированных зеленых тканей, которое проводили с помощью портативного хемилюминес-центного регистратора марки ПХЛ — 01 [2].

Результаты и обсуждение

Установлено, что МЭД на поверхности сырой и воздушно-сухой массы растительных образцов рав-

Расположение стационарных пробных площадок в еловых и сосновых лесах центральной части Кольского полуострова

Наименова- Район расположения площадки Расстояние, км Тип состояния леса

ние пробной Координаты от комбината от КАЭС,

площади «Североникель»

Сосновые леса

1-04 67°51' 32°47' 7,5 46 ТР

2-04 67°43' 32°50' г. Мончегорск 22 33,5 ЗД

3-04 67°42' 32°50' 28 27 ИД

4-04 67°38' 32°41' р. Чуна 32 23

5-04 67°22' 32°26' г. Полярные Зори 65 12 НД

6-04 67°21' 32°25' г. Кандалакша 82 14

Еловые леса

МК1-04 67°50' 32°47' г. Мончегорск 9 44,5 Тр*

МК2-04 67°49' 32°46' 11 42,5 ТР

МК3-04 67°38' 32°42' р. Чуна 32 22 ИД

МК4-04 67°32' 32° 19' р. Пиренга 47 11

МК5-04 67°22' 32°26' г. Полярные Зори 63 10 НД

МК6-04 67°21' 32°25' г. Кандалакша 80 12,5

Примечание. ТР — стадия техногенного редколесья; ЗД — стадия затухающей дефолиации; ИД — стадия интенсивной дефолиации; НД — стадия начальной дефолиации [8].

на фоновым значениям и не превышает 15 мкР/ч. Суммарная удельная радиоактивность в ассимиляционных органах хвойных пород деревьев существенно варьирует в зависимости от местоположения пробных площадок (рис. 2). Это в значительной мере обусловлено различными уровнями накопления растениями радионуклидов, которые могут поступать из атмосферного воздуха, а также из почвы и подстилающей породы.

Ель сибирская

Пробные площадки

Сосна обыкновенная

Пробные площадки

Рис. 2. Пространственное распределение суммарной удельной радиоактивности в ассимиляционных органах хвойных пород деревьев в центральной части Кольского полуострова

Хвоя древесных растений содержала естественные радионуклиды рядов урана-238, тория-232 и калия-40; техногенные радионуклиды (22№, 60Со, 106Ни, 133Ва, 140Ьа) отсутствовали; другие радионуклиды в измеримых количествах не обнаружены. В хвое ели и сосны в большом количестве содержится природный 40К, который вносит наибольший вклад в бета-активность исследуемых проб (рис. 3).

В исследуемых растениях был обнаружен также природный радионуклид космического происхождения 7Ве (см. рис. 3), который поступает главным образом с атмосферными осадками и аэрозолями из стратосферы вместе с воздушными массами [11]. Повышенное содержание его было обнаружено в хвое сосны обыкновенной. Большинство обнаруженных радионуклидов распределяется по видам хвойных растений следующим образом: наибольшее количество их содержится в хвое ели сибирской, а наименьшее

— в хвое сосны обыкновенной (см. рис. 3). Это указывает на различную степень их накопления елью и сосной вследствие разной радиоустойчивости данных пород деревьев.

Ель сибирская

6000 § 5000

С

I 4000

0

3000

ф 10 | 2000 о.

1 1000

0

0

1-04 2-04 3-04 4-04 5-04 6-04

Пробные площадки ^^В40К 1111117 Ве  232ТИ К 1370в

Сосна обыкновенная

1000 -| 800

1 600

£ 200

о

0

МК1-04 МК2-04 МК3-04 МК4-04 МК5-04 МК6-04 Пробные площадки ИВМИОК ^^И7Бв  А" 226Ра X 137Cs

Рис. 3. Пространственное распределение природных и техногенных радионуклидов в ассимиляционных органах хвойных пород деревьев в центральной части Кольского полуострова

Максимальные значения а- и р-активности в хвое сосны были зарегистрированы в районе р. Пиренги (пробная площадка МК4-04) и в районе г. Кандалакши (площадка МК6-04). Это связано со значительным содержанием в ней радионуклидов природного и техногенного происхождения (40К, 226На и 137Сз и др.), поступающих в хвою как из атмосферных осадков, так и из почвы и подстилающей породы. Возрастание радиоактивности в хвое сосны в районе г. Мончегорска (площадка МК1-04) также может быть обусловлено повышенным содержанием в ней естественных и техногенных радионуклидов, поступающих в растение в основном из почвы и подстилающей породы в результате действия значительных концентраций кислотных выбросов в импактной зоне комбината «Североникель». В то же время интенсивность собственной хемилюминесценции хвои сосны в этих точках характеризуется пониженными значениями (рис. 4), что может говорить о действии повреждающих факторов, включая влияние радиоактивности.

Минимальные значения для а-излучения в хвое сосны наблюдались в районе г. Мончегорска (пробная площадка МК2-04), а для р-излучения — в районе р. Чуны (площадка МК3-04) и в районе г. Полярные Зори (площадка МК5-04), что связано с меньшим содержанием радионуклидов в ассимиляционном аппарате сосны. В данных точках отмечается возрастание интенсивности собственной хемилюминесценции хвои сосны. Это может указывать на незначительный деструктивный характер в ассимилирующих органах тестируемых растений в этих районах (см. рис. 4).

200 5

100

Пробные площадки -О Хемилюминесценция -D альфа -О бета

Рис. 4. Пространственное распределение нормализованных значений фотохемилюминесценции и альфа-, бета-активности в хвое сосны обыкновенной

Рассмотренные колебания интенсивности хеми-люминесценции в значительной степени могут быть связаны с действием на хвою сосны а-излучения (коэффициент корреляции г = —0,84) по сравнению с действием р-излучения (г = —0,41).

Заключение

В результате проведенных исследований впервые было установлено распределение радиологических характеристик в ассимиляционном аппарате ели сибирской и сосны обыкновенной, произрастающих в центральной части Кольского полуострова. Установлена тенденция к накоплению радиоактивности в двухлетней хвое этих пород деревьев. Содержание естественных радионуклидов в хвое ели и сосны незначительно, техногенные радионуклиды практически отсутствуют. В хвое ели содержится большее количество радионуклидов по сравнению с хвоей сосны (за исключением 7Ве).

Величины суммарной удельной радиоактивности, несмотря на значительную вариабельность, не выходили за пределы природного фона. Однако сосна обыкновенная характеризуется высокой радиочувствительностью [3, 12], поэтому можно предполагать, что полученные нами величины хемилюминесценции хвои сосны могут быть откликом на действие техногенного фактора, включая влияние радиоактивности.

Наши дальнейшие исследования, направленные на интеграцию эколого-физиологических и радиоэкологических подходов к оценке состояния лесных биогеоценозов, позволят объективно прогнозировать устойчивость бореальных лесных экосистем к альтерирующим факторам различного техногенного происхождения.

Список литературы

1. Верху нов П. М. Лесоустройство : учебное пособие / П. М. Верхунов, Н. А. Моисеев, Е. С. Мурахтанов.

— Йошкар-Ола : МарГТУ, 2002. — 444 с.

2. Веселовский В. А. Люминесценция растений: теоретические и практические аспекты / В. А. Веселовский, Т. В. Веселова. — М. : Наука, 1990. — 200 с.

3. Гродзинский Д. М. Радиобиология растений / Д. М. Гродзинский. — Киев : Наукова думка, 1989. — 384 с.

4. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Мурманской области в 2003 году. — Мурманск, 2004.

— 138 с.

5. Довгуша В. В. Радиационная обстановка на Северо-Западе России / В. В. Довгуша, М. Н. Тихонов, Ю. Н. Егоров и др. — Мурманск : Кн. изд-во, 1999.

— 224 с.

6. Крючков В. В. Северотаежные биогеоценозы в условиях аэротехногенного воздействия / В. В. Крючков, Н. А. Сыроид // Общие проблемы биогеоценологии. — М. : Изд. АН СССР, 1986. — С. 13—15.

7. Кулагин Ю. З. Древесные растения и промышленная среда / Ю. З. Кулагин. — М. : Наука, 1974. — 126 с.

8. Лукина Н. В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты / Н. В. Лукина,

B. В. Никонов. — Апатиты : Изд-во Кольского научного центра РАН, 1998. — 316 с.

9. Мамихин С. В. Динамика содержания 137Cs в лесных биогеоценозах, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС /

C. В. Мамихин, Ф. А. Тихомиров, А. И. Щеглов // Экология. — 1994. — № 2. — С. 43—49.

10. Мельник Н. А. Радиогеоэкологические аспекты безопасности использования горнопромышленных отходов Кольского региона в производстве строительных материалов / Н. А. Мельник. — Апатиты : Изд-во Кольского научного центра РАН, 2003. — 1 14 с.

11. Мельник Н. А. Радиационный мониторинг естественных радионуклидов в северных широтах / Н. А. Мельник // Север-2003: проблемы и решения. — Апатиты : Изд-во Кольского научного центра РАН, 2004. — С. 77—89.

12. Радиационное воздействие на хвойные леса в районе аварии на Чернобыльской АЭС / под ред. Г. М. Козубова и А. И. Таскаева. — Коми научный центр УрО АН СССР, 1990. — 136 с.

13. Раменская М. Л. Анализ флоры Мурманской области и Карелии / М. Л. Раменская. — Л. : Наука, 1983.

— 216 с.

14. Цветков В. Ф. Сосняки Крайнего Севера / В. Ф. Цветков, Б. А. Семенов. — М. : Агропромиздат, 1985. — 116 с.

ACCUMULATION OF RADIONUCLIDES IN WOOD VEGETATION IN INDUSTRIALLY DEVELOPED REGIONS OF KOLA PENINSULA

А. N. Kizeev, *А. N. Nikanov

Polar-Alpine Botanical Garden-Institute named after N. А. Аvrorin Kola Scientific Center RAS, Apatity *Scientific-Research Laboratory North-Western Scientific Center of Hygiene Rospotrebnadzor, Kirovsk

In the article, the issues are considered of spatial distribution of the total specific radioactivity and content of natural and technogenic radionuclides in the assimilation system of coniferous species — Siberian spruce and Scotch pine that grow in a number of industrially developed regions in the central part of the Kola peninsula. Attention is paid to influence of small doses of radiation on intensity of photoinduced chemiluminescence of needles of Scotch pine growing in those regions.

Key words: spruce, pine, power of exposition dose, total specific radioactivity, natural and technogenic radionuclides, photoinduced chemiluminescence.