Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, доктора географических наук, Матишов, Дмитрий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

I. ИСТОРИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. История исследований.

1.2. Материалы и методы исследований.

II. ИСТОЧНИКИ И ПУТИ ПЕРЕНОСА ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРЯХ АРКТИКИ.

2.1. Первичные источники радиоактивного загрязнения морских экосистем.

2.1.1. Ядерные взрывы в атмосфере и гидросфере.

2.1.2. Сбросы радиоактивных отходов в море.

2.1.3. Вынос радиоизотопов крупными реками.

2.1.4. Захоронение ядерных отходов на морском дне.

2.1.5. Местные источники радионуклидов.

2.1.6. Аварийные погребения на морском дне.

2.2. Вторичное поступление радионуклидов в морские экосистемы.

2.3. Трансграничный перенос радиоактивного вещества в северных морях.

2.3.1. Общая схема циркуляции вод и взвеси в Северном Ледовитом океане.

2.3.2. Глубоководные желоба как магистральные пути распределения изотопов на арктическом шельфе.

2.3.3. Перенос радионуклидов при дрейфе льдов из Карского и Лаптевых морей.

2.3.4. Биологический путь миграции радиоизотопов в морских экосистемах.

III. РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПЕЛАГИЧЕСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ

3.1. Концентрация радионуклидов в водах северных морей.

3.1.1. Радиоактивность вод Балтийского, Северного и Ирландского морей.

3.1.2. Радиоактивность вод Норвежского, Баренцева и Белого морей. ЮЗ

3.1.3. Радиоактивность вод Карского и Лаптевых морей.

3.1.4. Радиоактивность вод Северной Атлантики и Центрального Полярного бассейна.

3.2. Роль биофильтра пелагиали в первичном распределении радионуклидов.

3.2.1. Общая экологическая характеристика планктона.

3.2.2. Некоторые особенности аккумуляции радионуклидов морским планктоном.

3.3. Закономерности распределения радионуклидов в пелагической экосистеме.

IV. ВЛИЯНИЕ МАРГИНАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ ПРИБРЕЖЬЯ НА АККУМУЛЯЦИЮ РАДИОНУКЛИДОВ.

4.1. Общая геоэкологическая характеристика прибрежья.

4.2. Накопление радионуклидов в наземной экосистеме побережья (Баренцево море).

4.3. Уровни и условия накопления нуклидов в грунтах заливов

Кольского полуострова.

4.4. Особенности аккумуляции радионуклидов в заливах Белого моря

4.5. Влияние северных рек на уровень радионуклидов в губах

Печорского и Карского морей.

4.6. Радиоактивное загрязнение грунтов губ Новой Земли.

4.7. Специфика накопления радиоизотопов в грунтах Азовского моря.

4.8. Классификация заливов по концентрации и составу искусственных радионуклидов вдонных осадках.

4.9. Уровни искусственной радиоактивности макрофитов.

4.10. Фильтрация антропогенных радиоизотопов в прибрежной экосистеме.

V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ЭКОСИСТЕМЕ МОРСКОГО ДНА.

5.1. Состав и распределение радиоизотопов в донных отложениях Баренцева моря.

5.2. Радиоизотопы в донных отложениях западноевропейских и Черного морей.

5.3. Радионуклиды в донных отложениях Карского шельфа.

5.4. Аккумуляция 137Cs в донных отложениях моря Лаптевых.

5.5. Закономерности седиментации радиоактивных веществ на шельфе.

5.6. Экологические и трофические предпосылки накопления радионуклидов бентосом.

5.7. Особенности аккумуляции радионуклидов зообентосом.

VI. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РАДИОИЗОТОПОВ МОРСКИМИ ПОЗВОНОЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ.

6.1. Радиоактивное загрязнение морских рыб.

6.2. Специфика накопления радиоизотопов морскими птицами.

6.3. Содержание радионуклидов в тюленях и китах.

VII. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА И АССИМИЛЯЦИИ РАДИОИЗОТОПОВ В МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМАХ.

7.1. Факторы самоочищения морских экосистем.

7.1.1. Определение предпосылок ассимиляции радиоизотопов.

7.1.2. Геоморфологический и гидродинамические факторы.

7.1.3. Фактор маргинального фильтра.

7.1.4. Значение биоокеанологического фактора.»

7.1.5. Фактор солености воды в накоплении радиоизотопов.

7.1.6. Явления сорбции радионуклидов в морских экосистемах.

VIII. ПРИНЦИПЫ МОНИТОРИНГА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМ.

8.1. Организация радиационного мониторинга морских экосистем.

8.2. Явления и факторы, требующие учета при радиоэкологическом мониторинге.

8.2.1. Глинистые осадки как индикатор радиоактивности морских экосистем.

8.2.2. Вторичное радиационное загрязнение бентали.

8.3. Роль биоиндикаторов в радиомониторинге северных морей.

8.4. Оценка эффективной дозы облучения, получаемой людьми при потреблении морепродуктов.

8.5. Моделирование - составная часть радиоэкологического мониторинга.

8.6. Учет в радиоэкологическом мониторинге промыслового изъятия биоресурсов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах"

Актуальность проблемы. Явление искусственной радиоактивности в природе прослеживается с начала первых ядерных испытаний в 50-х годах и до настоящего времени. По степени значимости, основным источником антропогенной радиоактивности океана являются выпадения в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере и под водой. Затем следуют сбросы сточных вод европейских и сибирских предприятий по переработке ядерного топлива и Чернобыльская авария (Поликарпов, 1964, 1971; Поликарпов, Ааркрог, 1993; Шведов, Патин, 1968; Кузнецов, 1971; Израэль и др., 1994; Матишов и др., 1994; Брагинский и др., 1994; Strand et al., 1997). Чернобыльские выбросы обусловили последний характерный пик уровня радиоактивности повсеместно - на суше и на море, в наземных и морских организмах.

К 90-м годам в атмосфере сформировался современный поток глобальных выпадений радиоактивных веществ на земную и морскую поверхность. Эти элементы во взвешенном и растворенном состоянии поступают в моря и океаны. Сегодня ионизирующие частицы в том или ином количестве встречаются в морской воде от поверхности до дна океана. Циркулируя в струях основных течений, искусственные радионуклиды распространяются на многие тысячи километров от источников.

В северных морях и Арктике в течение второй половины XX века типичными были периодические сбросы и захоронения жидких и твердых техногенных радиоизотопов. Определенный фон на акватории Баренцево-Карского региона возникал от курсирующих атомных подводных лодок и ледоколов, которые, в совокупности, были оснащены 180 ядерными реакторами (Nilsen et al., 1996). В результате, антропогенные нуклиды были вовлечены в океанологические и биогеохимические процессы и, тем самым, проникали во все элементы морских экосистем.

В 90-е годы изучение радиоактивного загрязнения арктических морей было в фокусе работ нескольких международных научных программ: Международная программа оценки состояния окружающей среды Арктики (Arctic

Monitoring Assessment Programme (AMAP)); Arctic Nuclear Waste Assessment Program (ANWAP) USA NAVY и других. В результате, Отделом военно-морских исследований ВМФ США был опубликован Атлас окружающей среды Арктики (Crane, Galasso, 1999). Это сводная работа по загрязнению, включающая в себя информацию по радиоактивности морской воды и донных отложений. Вместе с тем, до сих пор остаются неизученными интегральные особенности биогеохимического круговорота радионуклидов в рыхлых отложениях и донных биогеоценозах в целом.

Феномен радиоактивного загрязнения имеет глобальный экологический характер и является, в той или иной мере, отрицательным фактором. Радиация воздействует, как изнури, так и снаружи, благодаря концентрированию изотопов в органах и тканях вследствие облучения от источников, находящихся вне организмов животных. Радиоактивные вещества влияют на многообразные морские биоресурсы и человека. Как известно, ионизирующее излучение вызывает в организме морфофизиологические и функциональные изменения (Поликарпов, 1964, 1971; Ильенко, 1974). Поэтому особую актуальность приобретают проблемы радиационной безопасности, экологического нормирования и прогнозирования отдаленных последствий действия малых доз радиации на морскую биоту.

Однако до настоящего времени представление о радиоактивном загрязнении различных видов морской флоры и фауны шельфа носит отрывочный характер. Имеется всего несколько работ (Christensen, Steinnes, 1999) по накоплению 137Cs и 90Sr морскими млекопитающими. Из-за недостатка информации не проводились исследования по миграции радиоизотопов внутри всей экоси-стемной пирамиды и их трансформации по пищевым цепям, от фито- и зоопланктона к бентосу, рыбам, птицам, тюленям и китам. Поэтому сегодня среди проблем океанологии особое место занимают вопросы, связанные с радиоэкологией и радиохимией моря.

На протяжении длительного времени, в арктических морях совершенно не изучалось воздействие на организм, популяцию и сообщество гидробионтов глобальных уровней радиоактивного загрязнения среды обитания (воды, грунта). Кроме того, фактически оставались необследованными экосистемы заливов и губ (типа Кольского, Западной Лицы, Сайды, Черной), в которых базируются атомные подводные лодки или производились ядерные взрывы.

Сведения о современном радиоактивном загрязнении морских экосистем необходимы для решения природоохранных вопросов, особенно на локальных акваториях с относительно высокими уровнями искусственных изотопов -137Сб, 134С5, 1341, 1291 , 90йг, 238Ри, 239-240Ри,241 Аш, 60Со . Не менее важны также знания для системы экологической безопасности в случае применения, при нефтегазодобыче на шельфе, атомных энергетических установок, а также при аварийных ситуациях на объектах с атомными реакторами. Все эти меры, безусловно, предполагают изучение тенденций в развитии экологических систем под влиянием слабой радиации и определение стратегии природоохранных мер по сохранению биоразнообразия северных морей.

Данная работа базируется на оригинальных радиоэкологических исследованиях, проводившихся Мурманским морским биологическим институтом в 19902000 годах (Рис.1). Разработка проблемы осуществлялась в рамках программ и планов Российской Академии наук, Российского фонда фундаментальных исследований, проектов: "Сравнительный анализ процессов переноса и накопления радионуклидов в Баренцево-Карском и Азово-Черноморском регионах"; "Реконструкция процессов радиоактивного загрязнения экосистем морей Европейской части России"; "Оценка величин миграции искусственных радионуклидов по пищевым цепям морских экосистем" и других. Значительный объем работ был выполнен по международным грантам МАГАТЭ, ТАСИС и другим, например, "Современный уровень радиоактивного загрязнения и оценка риска в прибрежных водах Баренцева моря" (Университет Умео, Швеция).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в систематизации и обобщении с единых методических и теоретических позиций уникальной базы данных, для того чтобы:

- охарактеризовать закономерности накопления и миграции радионуклидов в среде и биоте;

- разработать основы концепции изменчивости концентраций искусственных радионуклидов в средах с различными физико-химическими характеристиками;

Рис. 1. Географическое положение районов радиоэкологических исследований

- определить биоокеанологические процессы и явления, вызывающие самоочищение морских арктических и субарктических экосистем.

Основные задачи данного исследования состоят в следующем:

1. Выяснить общие океанографические и биологические условия, способствующие переносу и накоплению радионуклидов в грунтах и биоте морей различных географических зон.

2. Реконструировать динамику (50-90-е годы) радиоактивного загрязнения морской воды с учетом стоков регионального происхождения.

3. Определить роль локальных (местных) источников поступления радиоизотопов в загрязнении заливов (губ) и шельфовых областей.

4. Исследовать состав, количество и закономерности аккумуляции радионуклидов в донных отложениях северных морей.

5. Изучить значение биофильтра пелагиали и бентали (планктон, макрофиты, бентос) в первичном распределении радиоактивной взвеси.

6. Раскрыть принципы биоаккумуляции нуклидов морскими позвоночными животными, уделив особое внимание пищевым цепям, ведущим к человеку: ракообразные и моллюски —> рыбы —» птицы —» тюлени —> киты —> человек.

7. Сформулировать концептуальную модель механизма ассимиляции искусственных изотопов в морских экосистемах.

8. Разработать систему радиоэкологического мониторинга, используя литологические и биологические индикаторы, а также прогноз воздействия слабых доз радиации на промысловые гидробионты.

Научная новизна. Диссертация содержит ряд новых теоретических положений и выводов, разработанных автором лично или в соавторстве с коллегами. Наиболее существенные из них, состоят в следующем:

1. Впервые, в широком фактологическом, географическом и таксономи-чесоком объеме изучена радиоактивность арктических и субарктических морских экосистем, что позволило обосновать новое научное направление - радиационную экологическую океанологию.

2. Положено начало исследованию реальных уровней содержания искусственных радионуклидов в среде и биоте заливов и губ (Черная, Западная Лица,

Кольский), имеющих радиационноопасные объекты.

3. Представлена классификация прибрежных морских акваторий (заливы, губы, фьорды) по степени загрязнения донного осадка искусственными радионуклидами.

4. Раскрыта важная роль биофильтра пелагиали и прибрежья в процессе самоочищения водоемов и переходе искусственных радионуклидов из воды в донные отложения.

5. Впервые показаны уровни аккумуляции '"Сэ, 908г, 239 240Ри в различных видах и популяциях морских организмов, особенности миграции радиоизотопов по трофическим цепям - от макрофитов и планктона до зообентоса, рыб, птиц, тюленей и китов.

6. Определен сравнительный вклад глобальных, региональных и локальных источников в радиоактивное загрязнение экосистем Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики.

7. Выявлены тренды в содержании искусственных радионуклидов за период с начала испытаний ядерного оружия до наших дней, дающие основу для прогнозирования экологической ситуации в морях России.

8. В рамках создания радиоэкологической информационной системы, сформулирована методология мониторинга и задачи морской радиоэкологии -мониторинг 239,240Ри, как главного облучателя промысловых биоресурсов и в будущем, морских экосистем в целом.

Защищаемые положения:

1. В течение 60-90-х годов в процессе самоочищения водоемов, естественного полураспада |37Сз и 908г, сокращения сбросов искусственных радионуклидов происходило направленное (на порядок) уменьшение уровня радиоактивности в морских экосистемах Арктики.

2. Главным аккумулятором искусственных радионуклидов в арктических морях стали алевритовые и глинистые отложения подводной окраины материков. Максимальное радиоактивное загрязнение грунтов произошло в 60-70 годы (возраст определялся по 210РЬ).

3.60Со, 134Сз, 239 240Ри, радиоактивные (горячие) частицы повсеместно встречаются на акватории атомных баз, в районах затонувших подводных лодок, в местах подводного захоронения радиоактивных отходов. Такой специфический спектр радионуклидов указывает на существование локальной эмиссии.

4. Механизм самоочищения арктических морских экосистем контролируется явлениями литодинамической и биологической адсорбции, которые происходят в маргинальном фильтре (эстуариях, поясе макрофитов), пелагическом биофильтре, при биоаккумуляции нектоном и орнитофауной.

5. Высокая биологическая продуктивность, в сочетании с термохалинны-ми и гидродинамическими факторами, нейтрализует кумулятивное воздействие радиоактивного загрязнения на морские экосистемы и обуславливает масштабный эффект самоочищения океана.

6. Изменения в видовой, популяционной и трофической структуре морской биоты от действия низких (фоновых) уровней радиоактивности не установлены. Современные концентрации искусственных радионуклидов в промысловых биоресурсах не представляет опасности для человека.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на российских конференциях и совещаниях: 3-й съезд по радиационным исследованиям (Москва, 1997); "Проблемы безопасности питьевой воды и продовольствия в арктических и субарктических регионах" (Мурманск, 1997); "Внедрение научных технологий в практику КСФ" (Североморск, 1999); конференции молодых ученых ММБИ КНЦ (Мурманск, 1994-1999).

На российских международных конференциях: 2-е совещание смешанной Российско-Норвежской группы по сотрудничеству в области охраны морской окружающей среды в Баренцево-Евро-Арктическом регионе (Мурманск, 1994); "Доступность данных по окружающей среде Арктики в России" (Москва, 1995); "Современное состояние и перспективы исследований экосистем Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых" (Мурманск, 1995); "Радиоактивные отходы, хранение, транспортировка, переработка, влияние на человека и окружающую среду" (С.-Петербург, 1996); "Экологический мониторинг морей Западной Арктики" (Мурманск, 1997); "Проблемы экосистем заливов, фьордов, эстуариев морей Арктики и юга России" (Ростов-на-Дону, 1998); международная конференция по промысловой океанологии (С,- Петербург, 1998); "Управление окружающей средой в Российской Федерации и Мурманской области" (Мурманск, 1998); "Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивности (Мурманск, 2000); "Проблемы биологии и геологии в связи с перспективой рыболовства и нефтегазодобычи в Азовском море" (Ростов-на-Дону, 2000);

На международных конференциях, совещаниях и семинарах: "Planning and Implementation of joint research in the European Arctic", (Осло, Норвегия, 1994); "1-stNordik Marine Sciences meating" (Гетеборг, Швеция, 1995); "Radioactivity in the environment of the Arctic" (Вудсхолл, США, 1995); Second International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Осло, Норвегия, 1995); "Disturbance and recgvery of Arctic terrestrial ecosystems" (Рованиеми, Финляндия, 1995); "Arctic research planning" (Ганновер, США; 1995); International Conference on environmental radioactivity (Гамбург, Германия, 1996); International Symposium on Radioactivity in the environment (Копенгаген, Дания, 1996); "Risk of radioactive contamination in the Arctic" (Умео, Швеция, 1996); Third International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Тромсе, Норвегия, 1997); "Coastal environment management and conservation" (Франция, 1997); International Conference on environmental radioactivity of ocean "Radoc-97" (Франция, 1997); International Simposium on Marine Pollution (Монако, 1998); The 4-th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic (Эдинбург, Шотландия, 1999); The meeting between the Norwegian Polar Institute and MMBI, (Сванховд, Норвегия, 1999); OSPAR-Seminar at Svanhovd in Finnmark (Сванховд, Норвегия, 2000);

Практическая значимость: Актуальность изучения антропогенных радионуклидов в морских экосистемах вытекает, как из современных научных, так и из практических запросов. Данная работа является итогом целенаправленных исследований по научным программам Российской академии наук, Министерства науки и технической политики, Российского фонда фундаментальных исследований и других организаций. Полученные в ходе работы аналитические и теоретические результаты использованы при подготовке в 1995 году ОВОС в ТЭО Штокмановского газоконденсатного месторождения для А/О "Росшельф".

Выявленные радиоэкологические закономерности и разработанная база данных по искусственным радионуклидам широко используется Мурманским, Архангельским, Ростовским областными комитетами по охране окружающей среды и природных ресурсов, службой радиационной безопасности Северного военно-морского флота и Атомфлота, при обосновании и принятии прогнозных и оперативных решений.

Содержащиеся в работе выводы и информация о радиоактивном загрязнении промысловой биоты нашли применение на предприятиях ЗАО "Севры-ба", при определении качества рыбной продукции и других морепродуктов. Изложенные в диссертации теоретические положения были использованы в нескольких учебных пособиях для ВУЗов.

Публикации. Результаты исследований отражены в 80 публикациях, в том числе в 8 монографиях, в 17 статьях в рецензируемых зарубежных и отечественных журналах, 7 препринтах.

Личный вклад диссертанта в исследования, выполненные в соавторстве, заключается в постановке задач, разработке методов сбора первичной информации и формирования базы данных, а также в теоретическом обобщении полученных материалов. Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем основных работ. В 1986-2000 гг. принимал личное участие в организации и выполнении 17-ти комплексных экспедиций в Белое, Норвежское, Баренцево, Печорское, Карское, Азовское, Черное и другие моря, а также в бассейн Северного Ледовитого океана.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы 389 страниц, 36 таблиц, 117 рисунков. Список литературы включает 326 наименований, из них 147 на иностранных языках.