reforef.ru 1 2 ... 4 5


На правах рукописи
Левина Сима Гершивна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ 90Sr И 137Cs В ОЗЕРНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ВОСТОЧНО-УРАЛЬСКОГО РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА В ОТДАЛЕННЫЕ СРОКИ

ПОСЛЕ АВАРИИ

03.00.01-03 – радиобиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук
Москва – 2007

Работа выполнена в ФГУН «Уральский научно-практический центр радиационной медицины» ФМБА России и ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» Федерального агентства по образованию

Научный консультант:

доктор медицинских наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Аклеев Александр Васильевич
Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Мамихин Сергей Витальевич,

ведущий научный сотрудник кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва
доктор биологических наук Булгаков Николай Гурьевич,

ведущий научный сотрудник кафедры общей экологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва
доктор биологических наук, профессор Гераськин Станислав Алексеевич,

зав. лабораторией экотоксикологии растений ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, Обнинск
Ведущая организация:

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва
Защита состоится « » « » 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д501.001.65 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, ауд. .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « » « » 2008 года
Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук Т.В. Веселова


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы

Поступление искусственных радионуклидов в природные экосистемы происходит за счет глобальных выпадений при испытании ядерного оружия, в результате текущих и аварийных выбросов работающих предприятий. Формирование доз облучения после радиационных аварий и испытаний ядерного оружия в основном осуществлялось за счет краткосрочных выпадений короткоживущих радионуклидов (Effects of Ionizing …, 1976). Существует также проблема хранения радиоактивных отходов, связанная с угрозой загрязнения окружающей среды долгоживущими радионуклидами, которые являются наиболее опасными. В настоящее время такими радионуклидами в России загрязнены несколько регионов (Уральский регион, территории, пострадавшие от аварии на Чернобыльской АЭС, Алтайский край, Оренбургская область и др.).

Ионизирующая радиация является постоянно действующим фактором внешней среды (Woodhead D.S., 1974; Myers D.K., 1989; Effects of ionizing …, 1992), значимость которого возрастает, что требует изучения процессов взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой их обитания в условиях радиоактивного загрязнения и повышенного радиационного фона. Для современной радиоэкологии данная проблема сохраняет свою актуальность (Тимофеев – Ресовский Н.В., 1957; Кузин А.М., Передельский А.А, 1956; Одум Е.П., 1958; Клечковский В.М. и др., 1973; Поликарпов Г.Г., 1981; Алексахин Р.М., 1982). Одной из важнейших проблем является радиоэкология пресноводных экосистем (Куликов Н.В. 1971; Куликов Н.В., Молчано-

ва И.В., 1975; Трапезников А.В., Трапезникова В.Н., 2006). Более того, основные положения современной системы радиационной безопасности предполагают необходимость учета взаимосвязи человека и окружающей среды для достижения устойчивого развития (International Commission …, 2003; Pentreath R. J, 2006). Недостаточно изучены эффекты сочетанного воздействия радиации и химических поллютантов, которые также поступают в водные экосистемы (Поликарпов Г.Г., 2000).


Исследование взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой их обитания приобретает особую актуальность в Уральском регионе, так как он испытывает на себе самые разнообразные по генезису радиационные воздействия. Северная часть региона находится в зоне влияния Новоземельского испытательного полигона, средняя – в зоне воздействия производственного объединения «Маяк» (ПО «Маяк»), где в 1949-1956 гг. было сброшено около 3 млн. Ки радионуклидов в р. Течу, в 1957 г. произошла Кыштымская авария, следствием которой было образование Восточно-Уральского радиоактивного следа, а в 1967 г. произошел радиационный инцидент на
оз. Карачай, связанный с ветровой эрозией радиоактивных илов (Итоги изучения …, 1990; Заключение комиссии …, 1991; Никипелов Б.В. и др., 1990; Christensen G.C. et al., 1997; Уткин В.И и др., 2000). Кроме того, высокий уровень техногенной нагрузки в Уральском регионе обуславливает значительное содержание тяжелых металлов в природных экосистемах, превышающее ПДК в десятки и сотни раз. Микро- и макроэлементы обладают способностью влиять на накопление радионуклидов в отдельных компонентах данных систем (Радиоэкологическое исследование …, 1992).

Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) площадью 23 тыс. км2 с численностью населения около 300 тыс. человек образовался в пределах Челябинской, Свердловской и Тюменской областей в результате выброса в атмосферу 7,4105 ТБк (20 МКи) радиоактивности (Романов Г.Н. и др., 1990; Экологические и медицинские последствия…, 2001; Коготков А.Я.,
Осипов В.Г., 2002). Загрязнению подверглись различные экосистемы, в том числе и озера данных территорий.

В настоящее время основной вклад в радиоактивное загрязнение территории ВУРСа вносят долгоживущие 90Sr и 137Сs. Современный характер загрязнения ВУРСа и его отдельных экосистем обусловлен не только первичной поверхностной неравномерностью загрязнения территории, но и разнообразными физико-химическими и биологическими процессами, определяющими особенности распределения дозообразующих радионуклидов 90Sr и 137Сs в различных объектах окружающей среды, в том числе в основных компонентах озерных экосистем. Существенное влияние на распределение 90Sr и 137Сs в экосистеме могли оказать мероприятия защитного характера, которые проводились на различных этапах в поставарийный период.


По прошествии 50 лет после аварии и формирования ВУРСа встает объективная проблема возврата в хозяйственное использование ранее загрязненных территорий ВУРСа, включая озерные экосистемы (около 30 озер), что требует комплексного исследования и обоснования возможности их использования в различных целях с позиции радиационной безопасности. Более того, озера можно рассматривать как модельные системы радиоэкологического благополучия местности (территории), так как в силу присущих им особенностей они способны аккумулировать радионуклиды.

Целью работы являлось комплексное радиоэкологическое исследование закономерностей миграции, накопления и распределения 90Sr, 137Сs, макро- и микроэлементов по основным компонентам озерных экосистем (почва водосборных территорий – вода – донные отложения – биота), расположенных на территории ВУРСа в пределах Челябинской области в отдаленном поставарийном периоде.

Основные задачи исследования:

1) оценить влияние гидрологических характеристик озерных экосистем (озера Урускуль, Б. Игиш, М. Игиш, Травяное, Куяныш, Шаблиш, которые находятся от 20 до 80 км от источника взрыва, а также контрольные водоемы Б. Боляш и Мисяш, расположенные вне зоны действия ПО «Маяк») на особенности процессов накопления и миграции радионуклидов;

2) исследовать закономерности процессов аккумуляции, распределения и миграции, а также формы нахождения радионуклидов, стабильных макроаналогов и микроэлементов в воде, донных отложениях озерных экосистем и почвах их водосборных территорий;

3) выявить особенности накопления радионуклидов, стабильных макроаналогов и микроэлементов в высшей водной растительности и ихтиофауне;

4) дать математическое описание динамики изменения удельной активности 90Sr в воде озер территории ВУРСа и сделать прогностические расчеты удельной активности 90Sr в воде и донных отложениях по 2017 г.;

5) оценить запасы 90Sr и 137Cs в основных компонентах озерных экосистем для обоснования возможности возврата водоемов Следа в хозяйственную деятельность.


Научная новизна

Впервые проведено комплексное изучение закономерностей миграции и перераспределения техногенных радионуклидов и микроэлементов в основных компонентах естественных озерных биоценозов ВУРСа. Получены новые данные о радиоэкологическом состоянии оз. М. Игиш.

В работе впервые исследованы состав и структура донных осадков озер Следа и контрольных водоемов, что позволяет реконструировать основные периоды развития озерных экосистем, восстановить этапы антропогенного (техногенного) воздействия, определить направленность происходящих в них изменений. Представлена общая сравнительная характеристика поведения радионуклидов и вскрыты конкретные физико-химические механизмы, регулирующие подвижность 90Sr, 137Cs в почвах, донных отложениях и доступность их высшим водным растениям. Установлено, что подвижность 90Sr и 137Cs в донных отложениях озер и почвах их водосборных территорий зависит от содержания органического вещества и форм нахождения радионуклидов в данных компонентах озерных экосистем. Выявлено, что на поведение 90Sr и 137Cs в грунтах влияет также минерализация водоема, а на миграцию радионуклидов в почве – особенности элементов ландшафта (супераквальный или элювиальный).

В естественных условиях изучены процессы накопления 90Sr и 137Cs биотой, а также впервые определены референтные высшие водные растения озер ВУРСа, концентрирующие данные радионуклиды.

Показано, что расчет запасов радионуклидов в водных экосистемах является количественной оценкой барьерной функции гидробиоценозов по отношению к переносу нуклидов за пределы данной экосистемы. На основе математического описания динамики изменения удельной активности впервые выполнены прогностические расчеты запасов 90Sr в воде и донных отложениях до 2017 г., что позволяет существенно расширить временной интервал для оценки радиоэкологических изменений гидробиоценозов территории ВУРСа и верифицировать данное математическое описание.


Положения, выносимые на защиту


  1. Основные закономерности поведения радионуклидов в водной массе озерных экосистем обусловлены исходной физико-химической формой радионуклидов выпавшей смеси, начальным уровнем загрязнения, географическим положением водоема относительно источника взрыва, минерализацией озера и физико-химическими свойствами донных отложений.

Аккумуляция, распределение и вертикальная миграция 90Sr, 137Cs
и микроэлементов в илах пресноводных экосистем замедленного водообмена определяются характером формирования грунтов, формами нахождения радионуклидов и тяжелых металлов в донных отложениях и являются основой прогноза радиоэкологической ситуации на период до 2017 г.

  1. Процессы аккумуляции, распределения и миграции 90Sr, 137Cs, микроэлементов в почвах супераквальных и элювиальных элементов ландшафта зависят от удаленности водоема относительно источника взрыва, физико-химических свойств почв (наличия в среде изотопных и неизотопных носителей и органического вещества, влажности, щелочно-кислотных условий), форм нахождения радионуклидов и тяжелых металлов в почве, особенностей ландшафта водосборных территорий пресноводных гидробиоценозов.

  2. Уровень накопления 90Sr, 137Cs, стабильных макроаналогов и микроэлементов высшими водными растениями и ихтиофауной определяется гидрохимическими особенностями озерной экосистемы, морфофизиологическими особенностями макрофитов и рыбы. На накопление 90Sr высшими водными растениями влияют концентрация Са2+ в воде исследованных озер, а также общая минерализация водоема.


Теоретическая значимость

Впервые дана комплексная характеристика озерной экосистемы

М. Игиш. Выявлено, что гипсометрическое положение водоемов, находящихся на одинаковом расстоянии от источника взрыва, влияет на содержание 90Sr и 137Cs в воде озер. Установлено, что миграция радионуклидов в супераквальных и элювиальных позициях зависит от ландшафтных особенностей водосборов исследованных водоемов. Определены формы нахождения 90Sr, 137Cs в донных отложениях и почвах водосборной территории, влияющих на миграцию и их доступность биотической компоненте экосистемы.


К установленным референтным высшим водным растениям, аккумулирующим 90Sr, относятся рдест блестящий (Potamogeton lucens), телорез обыкновенный (Stratiotes aloides), элодея канадская (Elodea canadensis). Наиболее высокий уровень содержания 137Cs отмечен у водокраса лягушачьего (Hydrocharis morsus-ranae) и урути мутовчатой (Myriophyllum verticillatum).

Выявлена обратная зависимость величин коэффициента накопления 90Sr и 137Cs в тушке карася серебряного (Carassius auratus gibelio (Bloch)) от содержания в воде элементов – макроаналогов радионуклидов Са2+ и К+.

Определено, что по содержанию микроэлементов исследованные озера
являются фоновыми, техногенное воздействие на них отсутствует.

Проведенные исследования могут служить научной основой для оценки способности пресноводных экосистем замедленного водообмена к самоочищению, деэвтрофикации и восстановлению структурных характеристик в условиях современной техногенной нагрузки.

Практическая значимость

Разработано математическое описание для долгосрочного прогноза поведения 90Sr в воде озер, которое учитывает динамику изменения удельной активности данного радионуклида с 1957 года. Рассчитаны запасы 90Sr на период до 2017 г. в водной массе и донных отложениях озер ВУРСа. Установлены современные запасы 90Sr и 137Cs в основных компонентах изученных гидробиоценозов, включая их водосборные территории.

Получены современные комплексные радиоэкологические характеристики озерных экосистем, которые могут служить основой для возврата водоемов в хозяйственный оборот.

Показано, что в настоящее время рыбная ловля и рыборазведение возможны только на озерах Куяныш и Травяное. По содержанию 90Sr в тушке рыбы этих озер превышение нормы не отмечено.


Выявленные референтные водные растения пресноводных экосистем замедленного водообмена, аккумулирующие 90Sr и 137Cs, могут быть использованы в целях биомониторинга гидробиоценозов в качестве маркеров радиоактивного загрязнения.

Установленные концентрации и формы нахождения тяжелых металлов в воде, донных отложениях и почвах изученных гидробиоценозов используются как фоновые при исследовании озер Челябинской области.

Материалы диссертации вошли в соответствующие разделы лекционных курсов радиоэкологии, введения в радиобиологию, химии окружающей среды, читаемых студентам старших курсов Челябинского государственного университета и Челябинского государственного педагогического университета.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ-Урал
04-05-96-057 (2004 - 2006 гг.), Министерства образования и науки Челябинской области, областной целевой программы «Развитие инновационной деятельности в Челябинской области по направлению «Развитие фундаментальных научных исследований», 2006 г., № 876.



следующая страница >>