Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Поведение изотопов урана в модельной системе пресноводного непроточного водоема

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Поведение изотопов урана в модельной системе пресноводного непроточного водоема"

На правах рукописи

ГУДЫМЕНКО Василий Анатольевич

ПОВЕДЕНИЕ ИЗОТОПОВ УРАНА В МОДЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ПРЕСНОВОДНОГО НЕПРОТОЧНОГО ВОДОЕМА

Специальность 03.02.08. - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 6 окт 2014

'¡Г 1,1 2014

Москва 2014

005553372

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Еськова Майя Дмитриевна

Официальные оппонента: Торшин Сергей Порфирьевич, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А.Тимирязева», кафедра агрономической, биологической химии и радиологии, заведующий кафедрой

Негробов Олег Павлович, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», кафедра экологии и систематики беспозвоночных животных, заведующий кафедрой

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный а гротехн о л о ги ч ее ки и университет им. П. А. Костычева»

Защита состоится 25 ноября 2014 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу

Автореферат разослан «З ^уо сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук

Сойнова О. Л.

Актуальность работы

Наметавшаяся тенденция к возрождению отечественной ядерной отрасли обостряет проблему загрязнения территорий в результате работы предприятий ЯТЦ. Вопреки распространенному мнению, основной вклад в загрязнение окружающей среды вносят не АЭС, а добыча урановой руды, ее переработка и производство ядерного топлива. Путь от руды до топливной сборки сопряжен с образованием колоссального количества жидких и твердых радиоактивных отходов: при гидрометаллургическом производстве на 1 т переработанной руды приходится до 5 т жидких отходов. Из хвостохранилищ нередко происходит просачивание загрязненных вод, при этом расстояние миграции урана достигает десятков километров. Кроме того, с урановых рудников сбрасывается в водоемы большое количество шахтных вод. Также следует учитывать возможность чрезвычайных ситуаций на предприятиях ЯТЦ: 9 июля 2009 г. во французском городе Болен (департамент Воюпоз) произошла авария на предприятии по производству ядерного топлива Тпсай'т, в результате которой жидкость, содержащая 360 кг урана, попала в две близлежащие речки.

При поступлении в водоемы радионуклиды активно аккумулируются водными • организмами, происходит их накопление в организме растительноядных животных, а затем и хищников, замыкающих пищевую цепь: рыб, водоплавающих птиц и ракообразных, что приводит к поступлению альфа-излучающих радионуклидов в организм человека.

Водоемы, расположенные в непосредственной близости к предприятиям ЯТЦ, требуют регулярного мониторинга для выявления возможного поступления радионуклидов в биоценоз.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы являлось выявление особенностей поведения изотопов природного урана в экосистеме пресноводного непроточного водоема.

Для реализации поставленной цели решали следующие задачи:

- изучали распределение изотопов природного урана в модельной экосистеме непроточного пресноводного водоема;

- определяли вид макрофитов, подходящих для радиоэкологического мониторинга (с максимальным уровнем накопления изотопов природного урана) и определяли для них период полувыведения изотопов урана;

- выявляли вид моллюсков, пригодных для радиоэкологического мониторинга (с максимальным уровнем накопления изотопов природного урана) и определяли для них период полувыведения изотопов урана;

- изучали распределение изотопов природного урана в органах рыб и определили период его полувыведения.

Научная новизна. Впервые с использованием а-спектрометрии и радиохимического анализа установлены особенности поведения долгоживущих альфа-излучающих радионуклидов (234и, 238Ц) в модельной экосистеме непроточного пресноводного водоема. Доказано, что изотопы природного урана в модельной экосистеме распределяются неравномерно. Наибольшая удельная активность отмечена у макрофитов и моллюсков, наименьшая - у земноводных и рыб. Установлены межвидовые различия в накоплении нуклидов макрофитами и моллюсками. Накопление урана в макрофитах и моллюсках зависит от величины внесенной активности и вида биообъекта. Максимальная активность отмечена у элодеи и прудовиков. Установлено, что период полувыведения изотопов для моллюсков, макрофитов и рыб составляет 13, 21 и 8,5 суток соответственно. У рыб максимальная удельная активность урана отмечена в почках, сердце и печени.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты исследования расширяют сведения об особенностях поведения изотопов природного урана в водных экосистемах. Теоретическая значимость работы заключается в уточнении и дополнении имеющихся представлений по миграции и накоплению изотопов урана в водных растениях

и животных. Практическая значимость работы связана с возможностью использования ее результатов для экологического мониторинга территорий, загрязненных в результате деятельности горно-обогатительных комбинатов и других предприятий ядерного топливного цикла.

Апробация работы Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах. Они были представлены на радиобиологическом съезде секции «Российской сельскохозяйственной академии» (Москва, 2005).

Объём и структура диссертации Диссертация состоит из 6 разделов: «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждение», «Выводы», «Список литературы». Работа изложена на 80 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 7 рисунков. Библиография включает 134 источника.

Материалы и методы исследований

Материалом для работы послужили виды-космополиты пресноводных

непроточных водоемов: элодея (Elodea canadensis), эгерия (Egeria najas), многокоренник (Spirodela polyrrhiza), кабомба (СаЪотЪа caroliniana), роголистник (Ceratofillum); лужанка (Viviparus viviparousj, прудовик большой (Limnaea stagnalis), катушка роговая (Planorbarius corneus)\ бычок-ротан (Perccotus glehni), лягушка прудовая (Rana lessonae).

Радиоактивная метка изотопов природного урана в виде водного раствора нитрата уранила с изотопным соотношением U234/U238, равным 0,45.

Перед началом работы определили активность изотопов урана в каждом компоненте модельных экосистем. Их суммарная активность не превышала 0,25 Бк/кг воздушно-сухой массы. По сравнению с внесенными активностями, данная величина ничтожно мала и в дальнейших расчетах ею можно пренебречь.

Измерение активности изотопов урана (234,238) в пробах биологического происхождения и природных водах проводили альфа-спектрометрическим методом на полупроводниковом альфа-спектрометре Мультирад-АС (НТЦ "Амплитуда", Россия) с использованием программного обеспечения

«Прогресс-5». Радиохимическую подготовку проводили в соответствии с методикой выполнения измерений активности изотопов урана (234, 238) в природных водах альфа-спектрометрическим методом с радиохимическим выделением, учитывая необходимость минерализации органики путем влажного кислотного озоления.

Результаты и обсуждение

Распределение изотопов природного урана в модельной экосистеме По результатам исследований выявлена картина распределения изотопов урана (234,238) в модельной экосистеме. При активности 30,0 Бк в системе наибольшая доля изотопов (45,1 ±7,2%) осталась в водной фазе; значительная часть (41,3±7,0%) накоплена детритом (табл.1). Что касается гидробионтов, то значимое содержание изотопов отмечено в моллюсках и макрофитах (7,6±1,4% и 5,1±0,9% соответственно).

При активности 60,0 Бк в системе основная доля изотопов урана (234,238) поглощена детритом (52,7±9,5%); в водной фазе осталось 21,5±3,5% внесенной активности. Высшие водные растения и моллюски накопили 12,4±2,0% и 1,9±0,4% соответственно (см. табл.1.).

Таблица 1. Распределение изотопов урана в компонентах экосистемы при внесенных

активностях 30 и 60 Бк (Р > 0.95)

Компонент Доля активности при 30 Бк Доля активности при 60 Бк

в системе, % в системе, %

Водная фаза 45,1±7Д 21,5±3,5

Детрит 41,3±7,0 52,7±9,5

Макрофиты 5,1±0,9 12,4±2,0

Моллюски 7,6±1,4 9.6*1,7

Земноводные 0,20±0,04 1,9±0,4

Рыбы 0,70*0,11 0,6±0,1

Полученное распределение изотопов урана по компонентам экосистемы водоема не дает целостной картины поведения урана ввиду значительного различия в их массе (10.0 кг воды и 0.01 кг высших водных растений).

Более информативным показателем следует считать величину удельной активности изотопов урана (234,238). Данный показатель рассчитывали на 1 г

воздушно-сухого вещества пробы.

Как видно из диагр.1, при активности в системе 30,0 Бк содержание урана в макрофитах в 4,3 раза выше, чем в моллюсках, в 6,65 раза больше, чем в рыбах, и в 12,6 раза больше, чем в земноводных (Р > 0,99).

Диагр.1. Распределние изотопов урана по компонентам модельной системы при различной внесенной активности

Рыбы Моллюски Земноводные Высшие водные

При активности в системе 60,0 Бк содержание урана в макрофитах в 3,3 раза выше, чем в моллюсках, в 5,5 раза больше, чем в земноводных, и в 7,0 раз больше, чем в земноводных (Р>0,99).

Определение максимума накопления и периода полувыведенш урана макрофитами Учитывая большое видовое разнообразие макрофитов, необходим более детальный подход к возможности их использования в целях радиологического мониторинга.

При внесенной активности 70,0 Бк удельная активность роголистника в 2,6 раза больше, чем у кабомбы; в 3,1 раза больше, чем у эгерии и элодеи и в 3,5 раза больше, чем у многокоренника. При внесенной активности 210,0 Бк удельная активность элодеи в 1,2 раза больше, чем у роголистника; в 2,1 раза больше, чем

у кабомбы; в 2,5 раза больше, чем у эгерии и в 3,3 раза больше, чем у многокоренника (Р>0,99) (диагр. 2).

Диагр.2. Сорбционная способность макрофитов при различной внесенной активности

Роголистник Кабомба Эгерия Элодея Многокоренник

При этом следует отметить, что при увеличении активности в системе в три раза удельная активность роголистника, кабомбы, эгерии и многокоренника остается практически на одном уровне. Отмечен значительный (в 3,5 раза), рост удельной активности элодеи и незначительные колебания удельной активности у кабомбы и эгерии.

Таким образом, можно говорить о пределе накопления изотопов урана из водной среды для роголистника, многокоренника, кабомбы и эгерии.

Поскольку накопительную способность организма характеризует коэффициент концентрирования (КК), равный отношению удельной активности биообъекта к начальной удельной активности среды, то мы учитывали возможность достижения организмом предела накопления радионуклида, при котором даже при увеличении содержания радионуклида в среде и времени нахождения организма в данной среде удельная активность организма остается постоянной. В данном интервале активностей применение КК неоправданно, так

как для всех макрофитов, кроме элодеи, отмечаем изменение КК при изменении активности.

Таблица 2. Коэффициент концентрирования изотопов урана макрофитами при

внесенных активностях 70 и 210 Бк (объемная активность 7 Бк/л и 21 Бк/л __соответственно)__

Компонент КК при 7 Бк/л, хЮ2 ККпри 21 Бк/л, хЮ2

Роголистник 3,00 ± 0,48 0,95 ±0,12

Эгерия 1,34 ±0,17 0,32 ±0,04

Кабомба 1,64 ±0,21 0,39 ± 0,06

Элодея 1,12 ±0,14 1,14 ±0,16

Многокоренник 1,00 ±0,12 0,29 ± 0,03

Для использования КК необходимо установить диапазон активностей в системе, в котором КК постоянен. Для этого по результатам предыдущего опыта выбрали элодею, так как в выбранном интервале активностей ее КК был постоянен с учетом погрешности метода.

Таблица 3. Коэффициент концентрирования изотопов урана элодеей при внесенных активностях от 6 до 250 Бк/л (Р > 0.95)

Ауд в системе, Бк/кг 6 18 36 72 108 144 180 216 250

Ауд в элодее, 0,81± 2,33 ± 4,91 ± 9,57 ± 15,05 20,72 28,42 30,58 30,21

Бк/г 0,15 0,46 1,18 1,82 ±3,01 ± ± ±6,12 ±6,96

3,73 6,49

KKxlO* 1,35 1,29 1,36 1,32 1,39 1,44 1,57 1,41 1,20

Поскольку в диапазоне активностей от 6 до 250 Бк/кг КК элодеи для изотопов природного урана практически постоянен, и учитывая широкое распространение данного растения, целесообразно использовать элодею в целях мониторинга загрязнения водоемов изотопами урана.

Для определения периода полувыведения после выдержки в среде с внесенной активностью веточки элодеи помещали в чистую воду. Согласно литературным данным, большая часть изотопов урана находится на поверхности растений (обменно-адсорбционный слой), и при расчете периода полувыведения эту долю активности не имеет смысла учитывать, так как при помещении растения в чистую воду она быстро перейдет в водную фазу. Для урана,

поступившего внутрь растительной клетки, период полувыведения будет определяться только биологическим периодом полувыведения, так как период полураспада изотопов урана (234, 238) составляет 2,46х105 и 4,5хЮ9 лет соответственно.

тэфф = (Т6иш+ Т1/2)/(Т6ио* Т[/2), т.е. в данном случае Т,фф = Т6шм

полувыведения (Т5иол) изотопов урана, который составил 21 день.

Определение максимума накопления и периода полувыведения урана моллюсками Как видно из диагр. 4, при активности в системе 30,0 и 60,0 Бк максимальное накопление урана отмечено в прудовиках (Ауд = 0,20±0,06 и 0,68±0,16 Бк/г соответственно) и катушках (Ауд = 0,24±0,06 и 0,69±0,19 Бк/г соответственно), при этом с увеличением активности в системе отмечали возрастание удельной активности моллюсков. Для представленных видов КК находится в диапазоне 0,17*102 - 0,20* Ю2 у лужанок; 0,72х102 - 1,51*102 у прудовиков и 0,80x102 - 1,53x102 у катушек, при этом объем водной фазы составлял 10 л в каждом случае.

Диагр.4. Сравнительная сорбционная способность разных видов моллюсков при различной внесенной активности

Лужанки Прудовики Катушки

Так же, как и в опыте с элодеей, для определения периода полувыведения изотопов урана, после выдержки в среде с внесенной активностью, прудовиков помещали в чистую воду. При сопоставимых с таковыми у катушек коэффициентами концентрирования прудовиков в качестве объекта исследований выбрали по причине их широкого распространения в водоемах и высокой устойчивости к факторам внешней среды. Для определения локализации изотопов урана в организме моллюска отделяли тушки от раковины. Содержание изотопов урана в раковинах и тушках представлено на диагр. 5. Опираясь на полученные данные, можем отметить, что содержание урана в раковинах оставалось практически постоянным в ходе опыта, с учетом погрешности измерения (20%). Это можно объяснить медленными процессами обмена в раковине взрослых моллюсков, которых использовали в опыте. Что касается тушки, то можно отметить, что нарастание активности изотопов урана происходило в течение 30 суток проведения опыта. С 35 по 55 сутки (моллюсков поместили в чистую воду) наблюдается уменьшение активности до достижения постоянных значений.

о

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ¡-»-раковинки -а-тушки] Время, дай

Диагр.5. Динамика сорбции и десорбции изотопов урана моллюсками

Таким образом, в данных условиях не отмечено достижения фоновых значений активности.

Так же, как и для элодеи, период полувыведения изотопов урана будет определяться только биологическим периодом полувыведения, который составил для прудовиков 13 суток.

Распределение урана в органах рыб и определение периода полувыведения

Таблица 4. Распределение изотопов урана в организме рыбы при внесенной активности 1000 Бк(Р>0,95)

Орган Голова Тушка Покровы Плавники Кишечник 1 Жабры Печень Почки Сердце Желчный пузырь Яичник

Доля 49,2 36,9 2,77 4,00 3,07 0,89 1,70 0,43 0,37 0,30 0,37

активности, ± 0 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

% 11,8 7,75 0,68 0,92 0,74 0,19 0,44 0,12 0,08 0,08 0,09

Радионуклиды урана распределяются в организме рыбы неравномерно, что соответствует известным литературным данным (В.В. Ковальский, И.Е. Воротницкая и др., 1968). В абсолютном выражении активности максимальная доля отмечена для головы и туловища (49,2± 11,8% и 36,9±7,75% от всей

активности организма рыбы соответственно), за счет преобладающей их массы. Покровами рыбы адсорбировано 2,77± 068% активности, а плавники содержат 4,00±0,92% соответственно. Абсолютная активность внутренних органов в сумме составляет 7,13%, причем максимальная доля урана отмечена в кишечнике, жабрах и печени, а минимальная - в почках, сердце, желчном пузыре и яичнике.

Для выявления органов, критичных по величине накопления урана, анализировали значения удельной активности. По сравнению с величиной абсолютной активности картина иная, так как при расчете удельной активности учитываем массу органов (диагр. 6).

Диагр.6. Удельная активность частей тела и внутренних органов рыбы (Бк/г)

адсорбировано;

0,06 плавники; 0,29 желчный пузырь; почки; 0,88 „ „ттППТЧ Ш ЯШИИВШжшвв- __0,31

кишечник; 0,35

сердце; 0,75

голова; 0,48

печень; 0,4;

жабры; 0,04 яичник; 0,15

Значительную удельную активность урана в почках и печени можно объяснить тем, что данные органы являются физиологическим фильтром и барьером не только у рыб, но и у всех живых организмов. Желчный пузырь является накопителем секретов печени, поэтому в нем также отмечена значительная удельная активность изотопов урана. За счет интенсивного кровообращения ткани сердца обогащаются изотопами урана, приобретая высокую удельную активность. Значительная удельная активность кишечника

обусловлена поступлением изотопов урана.

За счет большой сорбционной площади и небольшой массы в плавниках также отмечена заметная удельная активность урана. Невысокая удельная активность тканей жабр может быть обусловлена тем, что тушку рыбы обмывали 0,5М раствором азотной кислоты для выявления доли адсорбированного урана. Опираясь на полученные данные, можно полагать, что основной путь поступления изотопов урана в организм рыбы из водной среды - пероральный (с заглоченной водой), а поступление изотопов урана за счет поглощения покровами имеет меньшее значение.

Аналогично макрофитам и моллюскам, период полувыведения изотопов урана из организма рыб будет зависеть только от биологического периода полувыведения, который составил примерно 8,5 суток (диагр. 7.)

Диагр.7. Динамика накопления изотопов урана в организме рыб.

0,01

0,00 Г ' :: : : ': у -:•:•:■: : :-:■:■: :-: . :■,, .■::

Р1 Р2 РЗ Р4 Р5 Р6 Р7 Р8 Р9 Р10 Р11 Время, (сутки)

ВЫВОДЫ

1. Изотопы природного урана в модельной экосистеме непроточного пресноводного водоема распределяются неравномерно. Наибольшая удельная

активность отмечена у макрофитов н моллюсков, наименьшая - у земноводных и рыб.

2. Максимальное накопление изотопов урана отмечено у элодеи. Период полувыведения урана для нее составил 21 сутки. Поэтому элодею целесообразно использовать для радиоэкологического мониторинга пресноводных водоемов.

3. Максимальное накопление изотопов урана отмечено у прудовиков. Период полувыведения урана для них составил 13 суток

4. Наибольшее содержание изотопов урана в организме рыб отмечено в почках, сердце и печени. Период полувыведения изотопов урана из организма рыбы составляет в среднем 8,5 суток.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В системе радиационного мониторинга загрязнения водоемов изотопами урана целесообразно в качестве вида-индикатора использовать элодею (Elodea canadensis).

2. Среди представителей водной фауны в качестве объекта для мониторинга загрязнения водоемов изотопами урана следует использовать прудовика малого (Galba truncatula).

Список работ, опубликованных по теме, диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Лысенко Н.П., Гулынин А.В., Гудыменко В.А., Рогожина Л. В., Горлович Н. С., Заика С.С. К вопросу об альфа-спектрометрическом определении изотопов урана в пробах биологического происхождения / «АНРИ». - 2005. - №2 (41). - С.48-50.

2. Гудыменко В.А., Рогожина Л.В., Гудыменко Н.О., Долгов B.C., Либман М.А. Возможные механизмы адаптации пресноводных рыб к токсическому воздействию изотопов природного урана / «АНРИ». -2007.- №4

(51).-С. 41-43.

3. Гончар Ю.Н., Гудыменко В.А., Гудыменко Н.О. Особенности загрязнения изотопами урана пресноводных водоемов / «АНРИ». - 2010. - №1 (60). - С. 57-59.

Статьи в других изданиях

4. Гудыменко В.А., Ирхин С.Ю., Рогожина JI.B., Горлович Н.С., Жукова М.А. Накопление природных изотопов урана в водной растительности // Вопросы физико-химической биологии в ветеринарии: Сб. науч. тр. - МГАВМиБ им. К. И. Скрябина, 2005.

5. Гудыменко В.А., Рогожина JI. В., Горлович Н.С., Ковалев И.И. Накопление изотопов природного урана в экосистеме пресноводного водоема // Вопросы физико-химической биологии в ветеринарии: Сб. науч. тр. - МГАВМиБ им. К. И. Скрябина. - М., 2006.

6. Пак В.В., Долгов B.C., Гудыменко В.А., Гудыменко Н.О. Распределение изотопов урана в модельной экосистеме водоема // Ветеринарная медицина. - 2007. - №1. - С. 24-26.

Подписано в печать 24.09.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ 340 Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области