Поведение радионуклидов в почве

Радиоактивные вещества, прежде чем попасть в организм человека, проходят по сложным маршрутам в окружающей среде. Изотопы химического элемента, стабильные они или радиоактивные, в природе ведут себя одинаково. Источниками поступления искусственных радионуклидов в окружающую среду в 50-60 годы прошлого столетия явились ядерные испытания в атмосфере, а с 70-х годов – работа предприятий ядерного топливного цикла (особенно неаварийные и аварийные выбросы в атмосферу радионуклидов атомных электростанций).

Радиоактивные вещества, если они заброшены в верхние слои атмосферы (стратосферу), многократно огибают землю, постепенно концентрируясь между тридцатым и пятидесятым градусами широты в северном и южном полушариях, независимо от географического положения места их истечения. Чем выше заброшены радионуклиды, тем дольше они находятся в атмосфере – один-два года и более. Большинство радионуклидов поступает в нижние слои атмосферы (тропосферу), находясь там, в аэрозольном и газообразном состоянии.

Очищение атмосферы протекает длительно, но достаточно интенсивно. Радионуклиды, поступившие в атмосферу, под влиянием гравитационных сил (сил всемирного тяготения), а также под воздействием ряда метеорологических факторов (дождя, тумана, снега, града) оседают на поверхность Земли, в основном на почвенный покров. Решающую роль в очищении тропосферы выполняют осадки (захват частиц падающими каплями). Оседание радионуклидов на растительный покров происходит и без осадков, в результате турбулентного движения воздушных потоков в атмосфере. Возможно поступление радионуклидов в почву после их сброса в гидрографическую сеть с паводковыми водами, при орошении полей и т.д.

Оседая на земную поверхность – почвенно-растительный покров, радиоактивные изотопы (как естественные, так и искусственные) включаются в биологический круговорот в системе почва-растения-животные-человек.

Таким образом, почвенная оболочка биосферы – педосфера, – является одним из основных компонентов в природе, где происходит локализация как естественных, так и искусственных радионуклидов, которые сбрасываются в окружающую среду вследствие техногенной деятельности человека.

Попадая в почву радионуклиды мигрируют в ней. Под миграцией радионуклидов в почве понимается совокупность процессов, приводящих к перемещению радионуклидов в почве и перераспределению их по глубине и в горизонтальном направлении.

Миграция радиоактивных веществ при их попадании в почву зависит от ряда условий: физико-химических свойств изотопов; физико-химических свойств почвы (типа почвы); характера движения грунтовых вод; кислотности среды; климатических условий; времени нахождения радионуклидов в почве и т.д. К движущим силам, приводящим к миграции радионуклидов в почвах, относятся:

– конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков в глубь почвы, капиллярный подток влаги к поверхности в результате испарения, термоперенос влаги под действием градиента температуры);

– диффузия свободных и адсорбированных ионов;

– перенос по корневым системам растений;

– перенос на мигрирующих коллоидных частицах (лессиваж);

– роющая деятельность почвенных животных;

– хозяйственная деятельность человека;

– ветровая эрозия почвы.

Попадая на поверхность почвенного покрова, радионуклиды поглощаются почвами. Поглощение радионуклидов определяется процессами распределения между двумя основными фазами почвы – твердой и жидкой (почвенным раствором) и осуществляется в основном за счет процессов сорбции-десорбции радионуклидов, осаждения-растворения труднорастворимых соединений и коагуляции – пептизации коллоидов.

Различные почвы обладают разной емкостью поглощения радионуклидов. Высокой емкостью поглощения обладают черноземы, глинистые почвы, сорбционная способность которых обусловлена наличием гумуса. Поглотительная способность дерново-подзолистых, песчаных почв значительно меньшая. Некоторые изотопы, например, стронций и цезий могут переходить из обменной формы в необменную благодаря включению их в кристаллическую решетку почвенных минералов и солей: фосфатов, сульфатов и других малорастворимых соединений.

Миграция радионуклидов вглубь почвы протекает крайне медленно. Основная масса радионуклидов до сих пор распределена в 10 сантиметровом слое почвы, а на пашне – в пахотном горизонте. В ближайшие 20-
25 лет самоочищения почв в результате миграции радионуклидов в нижележащие горизонты не произойдет.

Нуклиды и растительный мир

В растительные организмы радионуклиды попадают во время атмосферных осадков, при фотосинтезе (углерод и тритий участвуют в образовании углеводов, белков и других компонентов растительной ткани) и из почвы. В общем цикле круговорота радионуклидов в наземной среде важным является звено почва-растения. В результате загрязнения почвы радиоактивными веществами отмечается их поступление в наземную растительность. Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют различные показатели. Одним из наиболее широко применяемых является коэффициент накопления (КН) – отношение содержания радионуклида в единице массы растений и почвы соответственно. Для большого числа радионуклидов КН<1. По аккумуляции растениями химические элементы разделяются на 5 групп: с сильным накоплением (КН>10), со слабым накоплением (КН равен 1-10), с отсутствием аккумуляции (КН равен 0,1-1,0), со слабой дискримиляцией (КН равен 0,01-01, с сильной дискримиляцией (КН<0,01). КН цезия-134 в огурцах 5,2; в томатах 6,6; кукурузе – 0,2 и т.д. Близким к КН является почвенный коэффициент пропорциональности (Кп) – отношение концентрации радионуклидов в растениях в Бк/кг к плотности загрязнения почвы в Бк/м².

Накопление радионуклидов растениями из почвы зависит от комплекса факторов: физико-химических свойств радионуклидов; агрохимической характеристики почвы; биологических особенностей растений; агротехники возделывания культур; климатических условий.

Радиоактивные изотопы, находящиеся в почве, как правило, переходят в корневую систему растений, аналогично стабильным изотопам тех же элементов. Из песчаных легких почв радионуклиды поступают в растения значительно легче, чем из тяжелых глинистых почв. Чем сильнее радиоизотоп фиксируется в почве, тем меньшее его количество попадает в растения. Так, например, овес, выращенный на песке, накапливает стронция-90 в несколько раз больше, чем овес, выращенный на суглинке. При этом из глинистого песка поступает 8-10%, а из тяжелых суглинков – всего 1% от всего стронция-90, попавшего в почву. Относительное накопление растениями различных изотопов из почв следующее: стронций > йод > барий > цезий > рубидий > церий > цирконий > плутоний. При одинаковой плотности загрязнения почвы стронцием и цезием, концентрация стронция в грубых кормах в 40-50 раз выше, чем цезия.

Такие изотопы, как стронций и цезий легко проникают через корневую систему во все органы растений. Другие же радионуклиды – церий, цирконий, плутоний – накапливаются в основном в корневой системе растений.

Многолетние луговые травы могут накапливать большое количество радиоактивных веществ, что превышает накопление однолетними сельскохозяйственными культурами. В лесной зоне наибольшей способностью задерживать радиоактивные вещества обладают хвойные породы деревьев, что связано с медленной сменой игл. Имеются там называемые растения – концентраторы, которые способны жадно захватывать радиоактивные вещества, усваивая их с большой площади. Это лишайники, мхи, грибы, бобовые, злаки. Стронций-90 в 2-6 раз интенсивнее поглощается бобовыми культурами, чем злаковыми. Наиболее интенсивно идет накопление радионуклидов в листьях и стеблях и значительно слабее в генеративных органах растений. Так, в созревших растениях фасоли стронций-90 распределяется следующим образом: в листьях 53-68%, в стеблях 15-28%, створках бобов 12-15%, в зерне 7-14%. Озимые культуры накапливают радионуклиды в меньших количествах, чем яровые. По количеству цезия-137 от меньшего к большему растения можно расположить в ряд: пшеница < ячмень < горох < гречка < овес < фасоль < картофель < морковь < свекла < бобы. Грибы накапливают радионуклиды на 1-2 порядка больше, чем их концентрация в почве. По накоплению цезия-137 в плодовых телах грибы делятся на 4 группы:

– слабонакапливающие (опенок осенний, строчок);

– средненакапливающие (подберезовик, белый гриб, лисичка, шампиньон, рядовка);

– сильнонакапливающие (груздь черный, рыжик, сыроежки всех видов);

– аккумуляторы (гриб июльский, масленок, волнушка, козляк, моховик).

В шляпках накапливается цезия-137 в 1,5-3 раза больше, чем в ножках.

Из дикорастущих ягод сильнее всего концентрируют радионуклиды клюква, малина, черника, земляника (самая «чистая»). По накоплению цезия-137 ягоды располагаются в убывающем порядке: черника, голубика, брусника, клюква, земляника. Содержание радионуклидов на приусадебном участке в ягодах меньше, чем в лесу. Красная и черная смородина накапливает радионуклиды, крыжовник является наиболее «чистым».

Повышенное содержание стронция и цезия характерно для ароматической столовой зелени: в укропе, петрушке, шпинате, и особенно в щавеле. Лук, капуста, свекла накапливают радионуклидов меньше, чем огурцы, томаты, морковь.

По накоплению стронция-90 древесными растениями установлен следующий убывающий ряд: осина, береза, ольха, ель, сосна, дуб. Береза поглощает из почвы цезия-137 в 2-18 раз, а стронция-90 – в 13 раз больше, чем сосна.

При отмирании травянистой и древесной растительности, а также с пожнивными остатками радионуклиды возвращаются в процессы миграции.