Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование механизмов сорбции и биологической доступности 90 Sr, 106 Ru, 137 Cs и 144 Ce в почвах различных типов

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Котова, Анна Юрьевна, Обнинск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЛОГИИ И АГРОЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

Котова Анна Юрьевна

Исследование механизмов сорбции и биологической доступности 908г, 106Ни, 137Сб и 144Се в почвах различных типов

Специальность 03.00.01 - радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: Доктор биологических наук Н. И. Санжарова

Доктор биологических наук С. В. Фесенко

Обнинск - 1998 год

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................9

1.1. Влияние свойств выпадений и физико-химических характеристик

радионуклидов на поведение их в почве..................................................................9

1.2. Закономерности поведения радионуклидов в почве......................................15

1.2.1. Состояние и формы нахождения радионуклидов в почве.......................16

1.2.2. Влияние свойств почвы на сорбцию радионуклидов................................24

1.2.3. Влияние органического вещества на поглощение радионуклидов почвами.................................................................................................................29

1.2.4. Влияние времени на закрепление радионуклидов в почвах.....................36

1. 3. Закономерности миграции радионуклидов в системе почва-растение........40

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................50

2.1. Характеристика почв.........................................................................................50

2.2. Методы проведения исследований.................................................................55

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА СОСТОЯНИЯ И ФОРМ НАХОЖДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ПОЧВ....................................................................................61

3.1. Динамика сорбции радионуклидов различными типами почв.......................62

3.1.1. Динамика распределения радионуклидов между твердой и жидкой фазами почвы.......................................................................................................62

3.1.2. Динамика сорбции90вг................................................................................65

3.1.3.Динамика сорбции 137Св...............................................................................71

3.1.4. Динамика сорбции Ю6Яи.............................................................................75

3.1.5. Динамика сорбции 144Се..................................................*..........................78

3.2. Динамика распределения радионуклидов по гранулометрическим фракциям почв...........................................................................................................................83

3.3. Динамика сорбции радионуклидов органическим веществом почв..............94

3.3.1. Динамика сорбции радионуклидов торфяной почвой..............................94

3.3.2. Формы соединений радионуклидов в торфяной почве............................97

3.3.3. Динамика распределения радионуклидов по группам и фракциям органического вещества автоморфных почв...................................................98

3.3.4. Динамика распределения радионуклидов по группам и фракциям органического вещества торфяной почвы.....................................................108

ГЛАВА 4. КИНЕТИКА СОРБЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ.............................................115

4.1. Расчет кинетических параметров сорбции радионуклидов.........................115

4.2. Зависимость интенсивности сорбционных процессов от почвенных характеристик.........................................................................................................121

ГЛАВА 5. ДИНАМИКА ПОДВИЖНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЯ.................................................................................................................136

5.1. Особенности биологической доступности радионуклидов в почвах различных типов.....................................................................................................136

5.2. Динамика биологической доступности радионуклидов в почвах................141

5.3. Параметризация кинетических характеристик биологической доступности радионуклидов.......................................................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................151

ВЫВОДЫ...................................................................................................................156

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и состояние проблемы.

Естественные и искусственные радионуклиды, попадающие в окружающую среду в результате производственной деятельности человека, включаются в биогеохимические циклы миграции. Скорость и особенности миграции радионуклидов определяются как их свойствами, так и влиянием факторов природной среды.

Исходным звеном миграции радионуклидов по сельскохозяйственным и пищевым цепочкам является почва. Почва - многофазная полидисперсная система, состоящая из четырех фаз: твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и живой (почвенные организмы). Эти фазы находятся в тесном взаимодействии. Одновременно почва представляет собой открытую динамическую систему, находящуюся в непрерывном взаимодействии с другими компонентами биосферы.

Почва - важнейший компонент биогеоценозов, в частности агроценозов. Роль почвы по отношению к радиоактивным веществам определяется влиянием на скорость и механизмы включения их в биогеохимические циклы миграции. Свойствами почвы в значительной мере определяются характер и прочность сорбции, а следовательно, и скорость миграции радионуклидов по почвенному профилю и биологическая доступность их растениям. В целом, направленность действия почвенных свойств на биологическую подвижность радионуклидов можно описать следующим образом: доступность растениям радионуклидов повышается с уменьшением содержания в почве физической глины, органического вещества, обменных катионов, емкости поглощения, минералов групп монтмориллонита и гидрослюд.

Исследование механизмов влияния фундаментальных почвенных свойств на миграцию радионуклидов в природных экосистемах были начаты в 50 - 60-е годы в зоне аварии на Южном Урале под руководством В.М. Клечковского. В этот период были выполнены фундаментальные исследования по почвенной химии основных искусственных радионуклидов - в первую очередь радиоактивных продуктов деле-

ния и нуклидов с наведенной активностью (Ф.И. Павлоцкая, В.М. Прохоров, P.M. Апексахин, И.Т. Моисеев, Ф.А. Тихомиров, Э.Б. Тюрюканова, Ю.А. Поляков, Н.В. Куликов, И.В. Молчанова), их накоплению основными видами сельскохозяйственных растений (И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, A.B. Егоров, Н.П. Архипов, Б.С. При-стер, H.A. Корнеев, Е.А. Федоров, A.B. Маракушин). Главной целью было изучение количественных закономерностей миграции радионуклидов в природных и аграрных экосистемах. Эти исследования показали, что подвижность радионуклидов в системе почва-растение зависит от почвенных условий и биологических особенностей растений. Были определены параметры, описывающие переход радионуклидов из почвы в растения, и разработаны первые модели миграции радионуклидов в природных экосистемах. Одновременно были начаты работы по изучению биологической подвижности радионуклидов в почве. Эти исследования показали существенное влияние форм нахождения радионуклидов в почве на их подвижность и доступность для корневого поглощения. Особая значимость этих работ была выявлена в 1986 году в районах, загрязненных после аварии на ЧАЭС. Работы, проведенные на территории Украины, Беларуси и России показали, что поведение радионуклидов в значительной степени определяется формой выпадений и различиями в биогеохимических условиях миграции (Ю.А. Иванов, Б.С. Пристер, C.B. Круглов, Н.П. Архипов). Впервые была изучена динамика сорбции радионуклидов с учетом форм выпадений и почвенных характеристик (Р.И. Погодин, JIB. Суркова, Н.И. Санжарова, B.C. Анисимов, А.Н. Архипов). Проведенные исследования позволили определить основные параметры миграции радионуклидов и разработать ряд принципиально новых моделей миграции радионуклидов, учитывающих специфику их поведения в почвах (C.B. Фесенко, С.И. Спиридонов).

Несмотря на широкий фронт исследований в области миграции радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам, ряд аспектов этой проблемы до последнего времени остается малоизученным. К числу таких вопросов относится выявление механизмов поведения радионуклидов в почвах и оценка факторов, влияющих на эти процессы. Идентификация механизмов биологической доступности радионук-

лидов в окружающей среде имеет определяющее значение с точки зрения оценки реальной опасности радиоактивного загрязнения окружающей среды для человека.

Цель и задачи исследования.

Целью работы являлось исследование механизмов сорбции и биологической доступности основных дозообразующих средне- и долгоживущих радионуклидов в почвах различных типов.

Для этого решались следующие задачи:

• изучить динамику форм нахождения 908г, 106Ри, 137Св и 144Се в почвах различных типов; динамику распределения их по группам и фракциям органического вещества почв, а также фракциям механического состава; распределение между твердой и жидкой фазами почв в модельных экспериментах в контролируемых условиях;

• провести сравнительный анализ динамики биологической доступности ^Эг, 1061Чи, 137Сз и шСе в модельных вегетационных экспериментах с 14-дневными проростками ячменя;

• оценить влияние свойств почв на скорость сорбции радионуклидов и динамику биологической доступности;

• определить параметры сорбции радионуклидов и их биологической доступности в зависимости от основных почвенных характеристик; .

• идентифицировать механизмы, определяющие поведение радионуклидов в системе почва-растение с помощью методов статистического анализа;

• разработать метод долгосрочного прогнозирования поведения радионуклидов в системе почва-растение на основе кинетического подхода.

Научная новизна работы.

Впервые экспериментально изучена сопряженная динамика основных показателей, определяющих биологическую доступность радионуклидов: формы нахождения радионуклидов в почвах, распределение по механическим фракциям почв, группам и фракциям органического вещества почв, динамика распределения радионуклидов между твердой и жидкой фазами почв, динамика перехода в расте-

ния. Впервые определены параметры сорбции 908г, 137Сэ и 144Се в почвах различных типов. Дана оценка раздельного и сочетанного влияния почвенных характеристик на динамику сорбции радионуклидов в почвах. Впервые для каждого из изученных радионуклидов установлен перечень почвенных показателей, определяющих закономерности сорбции и биологической доступности их в почвах и оценена их значимость. Предложены критерии для количественного описания сорбционных процессов и произведена их параметризация на основе агрохимических и физических почвенных показателей.

Основные положения, выносимые на защиту:

• закономерности динамики сорбции ^вг, *06Ки, 137Сз и 144Се в почвах различных типов;

• закономерности динамики биологической доступности 903г, 106Ри, 137Св и 144Се в системе почва-растение;

• параметры кинетических характеристик сорбции радионуклидов в зависимости от почвенных показателей;

• статистическая модель динамики биологической доступности радионуклидов на основе почвенных показателей;

• оценка влияния основных почвенных характеристик на изменение биологической доступности 903г, 137С8 и 144Се;

• метод долгосрочного прогнозирования поведения радионуклидов в системе почва-растение на основании кинетического подхода.

Теоретическое и практическое значение работы.

Теоретическая значимость работы заключается в выявлении ряда фундаментальных механизмов и динамики сорбции и биологической доступности радионуклидов в почвах различных типов. Разработан метод долгосрочного прогнозирования поведения радионуклидов в системе почва-растение на основе кинетических уравнений сорбции. Получены параметры кинетических характеристик сорбции и биологической доступности радионуклидов в зависимости от почвенных показателей. Полученные данные являются экспериментальной и теоретической базой для

разработки и параметризации прогностических математических моделей поведения радионуклидов в системе почва-растение при радиоактивном загрязнении окружающей среды.

Публикации и апробация работы.

Результаты исследований представлены на 5-й Международной научно-технической конференции по проблемам ликвидации последствий аварии на ЧАЭС (Зеленый Мыс, Украина, 1996), 2-м Обнинском симпозиуме по радиоэкологии (Обнинск, 1996), 3-м Радиационном съезде (Москва, 1997).

Диссертация апробирована на межлабораторном семинаре во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии 5 октября 1998 года.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов, объектов и методов исследования, анализа экспериментальных данных, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 175 страницах, иллюстрирована 37 таблицами и 20 рисунками. Список литературы содержит 154 источника.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам лаборатории № 22 ВНИИСХРАЭ за помощь в проведении экспериментальных работ и содействие в подготовке диссертационного материала.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Влияние свойств выпадений и физико-химических характеристик

радионуклидов на поведение их в почве.

В результате аварии на ЧАЭС в атмосферу было выброшено примерно 2 • 106 Ки радиоактивных веществ, в том числе: 1311 ~ 1760 ПБк, 89вг ~ 115 ПБк, 908г ~ 10 ПБк, 95гг~ 196 ПБк, 10Ъи > 168 ПБк, 106Ри > 73 ПБк, 134Сз ~ 54 ПБк, 137Сэ ~ 85 ПБк, 140Ва ~ 240 ПБк, 141Се ~ 196 ПБк, 144Се ~ 116 ПБк [1,34,42]. В длительной перспективе радиационная опасность выброса на ЧАЭС связана с присутствием в смеси радионуклидов долгоживущих компонентов, главным образом 137Сз и 90вг. Кроме этих радионуклидов, наиболее важное значение имеют среднеживущие радионуклиды 144Се и 106Ри, доля которых в изотопной смеси также велика.

Почвенное поступление радионуклидов в растения зависит в первую очередь от формы их нахождения в почве. В аварийном выбросе на ЧАЭС выделены три формы радионуклидов: 1) включенные в разрушенную топливную матрицу (оболочек твэлов); 2) аэрозоли различной дисперсности и 3) парогазовая форма [13,50]. На основании рассмотрения радионуклидного состава загрязнения и выще-лачиваемости радионуклидов из почвы минеральными кислотами, были выявлены два основных типа загрязнения сельскохозяйственных угодий в зоне аварии: «топливное», с малой растворимостью продуктов деления вследствие их распределения в объеме химически устойчивой матрицы из 1ЮХ, и «конденсационное» [41,50]. При «топливном» типе загрязнения основная часть радионуклидов в течение первых лет после аварии была локализована в частицах выпадений. Со временем под влиянием биогеохимических процессов в почве происходят разрушение топливных частиц, выщелачивание и перераспределение радионуклидов в почвенном поглощающем комплексе, что проявляется в увеличении доли подвижной формы 903г и, в меньшей степени, 137Сз. Более узкие пределы изменения форм 137Сз в почве объясняются более высокой сорбирующей способностью почв по от-

ношению к 137Сб, чем к 908г. В отличие от описываемых процессов трансформации радионуклидов при «топливном» типе загрязнения, поведение радионуклидов при «конденсационном» типе загрязнения в общих чертах подчиняется установленным ранее закономерностям, выявленным при исследованиях глобальных выпадений. В данном случае подвижность радионуклидов в почве и в системе почва-растение определяется прежде всего физико-химическими свойствами самих радионуклидов и характером их взаимодействия с почвой [50,58,72,73].

К свойствам радионуклидов, определяющим их распределение между твердой и жидкой фазами почв, относятся величина и знак заряда иона, форма соединений, способность к адсорбции, комплексообразованию, гидролизу и др. Согласно В.А. Ковде (1985), ионы элементов, имеющие ионные потенциалы (отношение заряда иона к ионному радиусу) 27г<1,4, характеризуются свойствами сильных оснований и мигрируют в катионной форме в виде истинных растворов (№+, К+, КЬ+, Сэ+, Ра2+ и др). Ионы элементов с параметрами 1,4 < 27г < 3,0 (1_Г, Са2+, Бг2*, Ва2+, Се3+ и др.) находятся в почве в основном в катионной форме и в виде истинных растворов, но при увеличении рН могут образовывать труднорастворимые гидро-ксиды и основные соли, а в присутствии карбонат-ионов - труднорастворимые карбонаты. В этом случае возможна миграция в виде коллоидов и взвесей. Ионы элементов с параметрами 3 < Тк < 7 обладают высокой чувствительностью к реакции среды, образуют труднорастворимые гидроксиды, более подвижны в щелочной среде и их миграция по профилю происходит в виде комплексных соединений, коллоидов и взвесей (У3+ , "П4+ , Ре3+, Ри4+, Се4+ и др.)[46].

Н.В. Тимофеев-Ресовский с соавторами в 1966 году предложили классификацию радионуклидов по типу поведения в системе почва- растение [73]:

1 группа: Сс1, Со. Тип поведения - необменный. Наиболее вероятные механизмы закрепления в почве - адсорбция почвенными минералами и образова