Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование биологической доступности 137 Cs в почвах лесных экосистем

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Коноплева, Ирина Валиевна, Обнинск

.,' * / П / } *7 / Г' - ■•',?

п 1 : У з ~ 3 / О -

4 ^ /

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЛОГИИ И АГРОЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

Коноплева Ирина Валиевна

Исследование биологической доступности 137С8 в почвах лесных экосистем

Специальность 03.00.01 - радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Н.И. Санжарова

Обнинск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

МЕХАНИЗМОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОСТУПЛЕНИЕ ,37С§

ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ.............................................................................9

1.1 .Описание основных процессов и факторов, определяющих

подвижность и биологическую доступность |37Сз в почвах..............................9

1.1.1. Состояние и формы нахождения ШС5 в почве..................................9

1.1.2. Селективная сорбция и фиксация шСз в почве.............................. 12

1.1.3. Распределение шСб между твердой и жидкой фазой почв..................18

1.1.4. Трансформация форм нахождения 137Сз в почве со временем..............21

1.2. Особенности поведения шСз в лесных почвах..............................................23

1.3. Миграция В7Сз в системе почва-растение....................................................28

1.4. Анализ статических моделей, описывающих поведение 137Сз

в системе почва-растение.........................................................................30

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ

ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ 137Св В РАСТЕНИЕ..........................................34

2.1. Общее описание модели поступления шСз из почвы в растения......................34

2.2. Моделирование физико-химических процессов, определяющих

переход 137Сз в растения...........................................................................35

2.2.1. Процесс транспорта 137Сз в свободном пространстве

клеточных стенок коры корня.........................................................35

2.2.2. Процесс транспорта 137Сз в системе

почва-почвенный раствор-апопласт корня.......................................37

2.2.3. Ограничения модели....................................................................42

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................47

3.1. Характеристика экспериментальных площадок............................................47

3.2. Методы отбора проб...............................................................................51

3.3. Методы анализа.....................................................................................51

3.4. Модификация методов определения характеристик селективной

сорбции 137С$ почвами.............................................................................52

3.5. Метод определения емкости катионного обмена корней..............................63

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДОСТУПНОСТИ 137Св В

ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ................................................................................. 64

4.1. Характеристики селективной сорбции и фиксации 137Сз.............................. 64

4.2. Катионный состав жидкой фазы почв........................................................70

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ 137Св В ЛЕСНЫХ РАСТЕНИЯХ

НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРА ЕГО БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ДОСТУПНОСТИ В ПОЧВЕ. ПРОВЕРКА МОДЕЛИ.......................................76

5.1. Исследование зависимости коэффициента накопления шСз в лесных

растениях от параметра его биологической доступности в почве..................76

5.2. Экспериментальная оценка зависимости коэффициента перехода

137Св в лесные растения от параметра биологической

доступности ,37Сз в почве........................................................................81

5.3. Оценка роли емкости катионного обмена корней в процессе

поступления шСз в растение...................................................................88

ГЛАВА 6. МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ПЕРЕХОДА "7Ся В РАСТЕНИЯ.................................................................. 91

6.1. Основы метода.......................................................................................91

6.2. Оценка действия агромелиорантов на переход 137Св в лесные растения............97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................101

ВЫВОДЫ..................................................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Широкое использование атомной энергии приводит к загрязнению биосферы радиоактивными веществами. В результате испытаний ядерного оружия, хронических выбросов предприятий ядерного топливно-энергетического цикла и аварий на атомных реакторах радионуклиды попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимические цепи миграции. В связи с радиологической опасностью возникает необходимость прогнозирования миграции радионуклидов в природных средах и по пищевым цепочкам.

Прогноз поведения радионуклидов в природных и агроэкосистемах осуществляется на основе математических моделей. Точность прогноза зависит, с одной стороны, от полноты описания процессов, определяющих поведение радионуклида, а с другой стороны, от точности оценок параметров модели. Адекватное описание процессов возможно только на основе понимания механизмов поведения радионуклида в биогеохимических цепях миграции.

Переход 137Сз из почвы в растения является первым и наиболее значимым звеном его миграции по пищевым цепям. Интенсивность этого процесса определяется химическими свойствами и физико-химическим состоянием радионуклидов, влиянием свойств почв и биологическими особенностями растений.

В результате радиоэкологических исследований, начатых в 50-е годы в связи с проблемой глобальных выпадений в результате испытания ядерного оружия, были выявлены общие закономерности в поведении 137Сб в системе почва-растение. Было показано, что биологическая доступность ,37Сз повышается с ростом содержания органического вещества, с уменьшением доли глинистых минералов, со снижением рН почвенного раствора и снижением содержания обменного калия в почвах, а также определяется формами нахождения 137Сз в почвах (Юдинцева Е.В., Гулякин И.В., 1968; Павлоцкая Ф.И., 1974).

После аварии на ЧАЭС был достигнут значительный прогресс в исследованиях биологической доступности 137Cs в аграрных, луговых и лесных экосистемах. Были широко изучены роль форм выпадений и динамика биологической доступности (Иванов Ю.А.,1997; Круглов С.В.,1997; Санжарова Н.И., 1997; Щеглов А.И., 1997). В работах А. Кремерса впервые определены параметры, характеризующие способность почв селективно сорбировать 137Cs (Cremers et ah, 1988). Эти исследования позволили прогнозировать распределение ,37Cs между твердой фазой почвы и почвенным раствором на основе физико-химических характеристик почв. В последние годы была изучена роль корневой системы в процессе поступления 137Cs в растение (Shaw et ah, 1992; Smolders et ah, 1997a; Соколик А.И. и др., 1997). Однако, в проведенных исследованиях почвенное и растительное звенья в цепи миграции 137Cs рассматриваются, как правило, раздельно, что приводит к существенной неопределенности в прогностических оценках поведения радионуклида в трофических цепочках.

Поведение радионуклидов в лесных экосистемах имеет свою специфику и отличается от такового в луговых и агроэкосистемах (Тихомиров Ф.А., 1972; Алексахин P.M., Нарышкин М.А., 1977). Особенности поведения радионуклидов в почвах лесных ценозов слабо изучены. В связи с этим развитие теоретических представлений о механизмах биологической доступности 137Cs в лесных экосистемах, что позволит снизить неопределенность прогнозов, и определяет актуальность настоящей работы.

Цель и задачи исследования:

Целью настоящей работы является идентификация основных физико-химических свойств почв, определяющих биологическую доступность 137Cs, и на этой основе разработка метода прогнозирования коэффициентов перехода 137Cs в лесные травянистые и кустарничковые растения.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• изучить особенности поведения 137Сэ в лесных почвах, связанные с его селективной сорбцией;

• идентифицировать основные характеристики почв, определяющие биологическую доступность 137Сз;

• разработать метод расчета параметра биологической доступности 137Сз в почвах на основании физико-химических характеристик почв;

• экспериментально определить параметры биологической доступности 137Сз для различных типов лесных почв;

• получить прогностические уравнения для оценки коэффициентов перехода 137Сз в лесные растения.

Научная новизна работы.

Впервые для описания подвижности 137Сз в системе почва-растение лесных экосистем предложен параметр биологической доступности ,37С8, являющийся комбинацией свойств почв: их способностью селективно сорбировать 137Сз, их фиксирующей способностью и катионным составом почвенного раствора. В рамках предложенной равновесной модели способность почв селективно сорбировать 137Сз характеризуется обменным потенциалом селективной сорбции 137Сз, фиксирующая способность почвы - равновесной долей обменного 137Сз, а катионный состав почвенного раствора - аммонийно-калийным адсорбционным соотношением (РИАЯ).

Получены прогностические уравнения для оценки коэффициентов перехода 137Сз в лесные растения травяно-кустарничкого яруса на основе параметра его биологической доступности в почве. Экспериментально показана применимость полученных прогностических уравнений для оценки коэффициентов перехода ,37Сз в растения для лесных почв различных почвенно-климатических зон.

Впервые получены величины обменного потенциала селективной сорбции ,37Сз 111Рех(К) и ШРех(>Щ4), значения коэффициента селективности аммония по

отношению к калию на FES и параметры биологической доступности 137Cs для типичных лесных почв Восточной и Западной Европы.

Предложен метод прогнозирования перехода 137Cs в лесные растения, основанный на использовании почвенных характеристик - содержания обменных форм 137Cs, К+, Са2+, Mg2+ и органического вещества. Показана возможность его применения для оценки действия агрохимических защитных мероприятий.

Предложена группировка типичных лесных почв Восточной и Западной Европы по параметру биологической доступности 137Cs.

Теоретическое и практическое значение работы.

Теоретическая значимость работы заключается в идентификации основных физико-химических механизмов, определяющих биологическую доступность 137Cs в почвах. Результаты работы вносят существенный вклад в развитие теоретических представлений о механизмах миграции 137Cs в системе почва-растение. Разработан метод оценки перехода 137Cs из почвы в растения, который может быть использован при прогнозировании поведения 137Cs в лесных экосистемах, а также при оценке эффективности агрохимических защитных мероприятий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модификация методов экспериментального определения характеристик селективной сорбции 137Cs почвами (емкости высокоселективных обменных мест, потенциалов селективной сорбции 137Cs).

2. Количественные данные по обменному потенциалу селективной сорбции 137Cs и параметру биологической доступности основных типов лесных почв Восточной и Западной Европы.

3. Существование достоверной корреляционной связи коэффициентов накопления (и перехода) 137Cs лесными растениями травяно-кустарничкого яруса и параметра биологической доступности I37Cs в почвах.

4. Прогностические уравнения для расчета коэффициентов перехода 137Cs из лесных почв в растения травяно-кустарннчкого яруса (папоротник и чернику) на основе параметра биологической доступности 137Cs в почвах.

5. Метод прогнозирования коэффициентов перехода 137Cs в лесные растения, основанный на использовании почвенных характеристик - содержания обменных форм I37Cs, К+, Са2+, Mg2+ и содержания органического вещества.

6. Группировка типичных лесных почв Восточной и Западной Европы по параметру биологической доступности 137Cs.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на XXVI, XXVII и XXVIII объединенных съездах Европейского общества по применению новых методов в сельском хозяйстве (ESNA) и Международного союза радиоэкологов (IUR) (Румыния, 1996; Бельгия, 1997; Чехия, 1998); Международном симпозиуме по ионизирующему излучению (Стокгольм, 1996); Съезде физического общества Германии (Мюнхен, 1997); Семинаре Международного союза радиоэкологов (Бельгия, 1998); Международном семинаре «Лесная радиоэкология» (Киев, 1998) и на Съезде Европейского общества радиобиологии (Италия, 1998).

Автор выражает благодарность научному руководителю Санжаровой Н. И., без неоценимой помощи которой работа не могла бы быть выполнена в полном объеме. Автор также благодарен сотрудникам Технического Университета прикладных наук г. Вайнгартен Германии Г. Цыбольду, Е. Клемту, Й. Дрисснеру, Р. Миллеру, а также профессору Йохансону (Сельскохозяйственный Университет г. Упсала), Р. Авиле (Шведский институт радиационной защиты, г. Стокгольм), Фесенко C.B. (ВНИИСХРАЭ) за помощь и содействие в проведении экспериментальных работ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПЕРЕХОД "'Се ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ

1.1. Описание основных процессов и факторов, определяющих подвижность шСэ в почвах

Радиоэкологические исследования показали, что к числу ведущих факторов, определяющих поведение биологически значимого радионуклида 137Сз в различных звеньях биогеохимических цепей миграции, относятся формы его нахождения в почвах, которые обусловлены физико-химическим состоянием радионуклида в атмосферных выпадениях и последующими процессами трансформации его состояния, зависящими от свойств почв, природных факторов и времени. 1.1.1. Состояние и формы нахождения шСв в почве

В результате аварии на Чернобыльской АЭС выброс 137С§ происходил в виде топливных и конденсационных частиц. В составе частиц конденсационного типа 137Сз выпал в виде подвижных форм (водорастворимом и обменносорбированном состояниях), а в составе топливных частиц - в необменном состоянии (Бобовникова Ц.И. и др., 1991). После выпадения 137Сз, находящийся в подвижной форме, вступает в различные реакции в почве и подвижность его снижается. Когда же 137Сз попадает в почву в виде нерастворимых топливных частиц, дополнительным процессом, приводящим к изменению его физико-химического состояния, является выщелачивание, в результате которого 137Сз переходит в подвижное состояние (Иванов Ю.И., Кашпаров В.А., 1992; Круглов С.В., 1997; Архипов А.Н., 1995).

Радионуклид в почве может находиться как в составе жидкой, так и твердой фазы. В растворе радионуклид может находиться в виде катиона, входить в состав комплексных соединений и коллоидных частиц. В твердой фазе радионуклид может присутствовать в обменносорбированном состоянии, т.е. находиться в адсорбционно-десорбционном равновесии с жидкой фазой; входить в состав

нерастворимых соединений или выпавших нерастворимых частиц (например, топливных) или быть необратимо сорбированным.

Щелочной металл 137Сз находится в почвенном растворе, в основном, в виде катионов и не образуют устойчивых комплексных соединений. Лабораторные и полевые экспериментальные исследования (ЕСР-3, 1994) показывают также, что коллоидная форма этого радионуклида для подавляющего большинства почв не играет существенной роли, так как составляет относительно небольшую долю от общего содержания ,37С$ в жидкой фазе.

После выпадения на подстилающую поверхность шСз из водорастворимого состояния поглощается почвой и переходит в обменную форму, которая, однако, быстро фиксируется, переходя в необратимо сорбированное состояние. Это приводит к многообразию форм нахождения шСз в почве. Для классификации форм нахождения радионуклидов в почве обычно используется метод последовательных экстракций различными химическими агентами. Для определения форм 137Сз в практике отечественных исследований (Бобовникова Ц.И. и др., 1990; ЗапгЬагоуа е1 а1., 1994; Кго1^1оу ег а/., 1996) наиболее широко применяется метод Ф.И. Павлоцкой (1974). Этим методом выделяют следующие формы: водорастворимые; обменные (вытеснямые 1н раствором АйчГШ); подвижные (по Ф.И. Павлоцкой, экстрагируемые 1н раствором НС1); необменные кислоторастворимые (экстрагируемые Зн раствором НС1). Остаток идентифицируется как прочнофиксированная форма.

При проведении последовательных экстракций в водную вытяжку переходит 137Сз, десорбирующийся по механизму ионного обмена. Концентрация 137Сз в растворе водной вытяжки устанавливается в соответствии с положением ионообменного равновесия, которое определяется величиной сорбционной емкости почвы и концентрацией обменных катионов в растворе. В ацетатную вытяжку переходит '"Сэ, сорбированный в почве по механизму ионного обмена. В кислотные вытяжки переходят необменные формы, которые включают 137Сз, соосажденный с

соединениями железа и марганца, необратимо сорбированный (включенный кристаллическую решетку минералов), связанный с нерастворимым органическим веществом почвы, входящий в состав топливных частиц, а также поглощенный клетками почвенной микробиоты.

В работах зарубежных исследователей (Riise et al., 1990; Hilton et al., 1992; Salbu et al., 1994) для выделения форм 137Cs используется метод Тессье и др. (Tessier et al., 1979), предложенный для р�