Пространственная дифференциация состояния и поведения 90Sr на агрегатном уровне почвы Гаджиагаева Рамилла Адим кызы

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I Факторы, влияющие на дифференциацию 90Sr в почвенной массе 8

1.1 Источники и биологическое действие 90Sr 8

1.2 Формы нахождений радиостронция в почвенно-растительной системе 11

1.3 Сорбция в почвах 15

1.4 Диффузия 20

1.5 Агрегатное состояние почвы 24

1.6 Роль растений в пространственной дифференциации состояния веществ на

агрегатном уровне 28

ГЛАВА II Объекты и методы исследований 34

2.1 Объекты исследований 34

2.1.1 Радионуклид 34

2.1.2 Почва 35

2.2 Методы исследований 38

2.2.1 Методы исследования агрегатного состояния почвы 38

2.2.2 Методы исследования роли растений в дифференциации состояния

радиостронция на агрегатном уровне почвы 41

ГЛАВА III Исследования кинетики сорбции и диффузии 90Sr в почве 44

3.1 Постановка вопроса и методические подходы 44

3.2 Изучение кинетики сорбции 90Sr почвой 49

3.3 Изучение скорости диффузионного перемещения 90Sr в почве 59

3.4 Обсуждение результатов 65

ГЛАВА IV Корневое поглощение 90SR из различных частей почвенных агрегатов и изменение его состояния на агрегатном уровне

4.1 Постановка проблема и методические подходы 67

4.2 Корневое поглощение 90Sr растениями из различных частей почвенных агрегатов 69

4.3 Оценка изменения агрегатного состояния почвы и 90Sr в составе агрегатов в условиях вегетационного опыта 71

4.4 Обсуждение результатов 79

ГЛАВА V Роль растений в пространственной дифференциации состояния 90SR в почве на агрегатном уровне 82

5.1 Литературные сведения и постановка вопроса 82

5.2 Оценка роли корней в дифференциации состояния 90Sr в почве 85

5.3 Изучение распределения 90Sr в различных группах органического вещества почвы 88

5.4 Обсуждение результатов 91

Выводы 93

Заключение 95

Список литературы 98

• Сорбция в почвах
• Радионуклид
• Изучение скорости диффузионного перемещения 90Sr в почве
• Оценка изменения агрегатного состояния почвы и 90Sr в составе агрегатов в условиях вегетационного опыта

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время ⁹⁰Sr, наряду с ¹³⁷Cs, является одним из главных дозообразующих радионуклидов. Стронций является химическим аналогом такого биогенного элемента, как кальций, в результате чего имеет высокие коэффициенты накопления и длительный период полувыведения из организма человека.

Известно много работ, посвященных вопросам поведения радиостронция в почве, но на агрегатном уровне исследований практически не проводилось, в то время как, агрегированные почвы по площади составляют большую часть сельскохозяйственных угодий нашей страны. В агрегированных почвах их свойства и процессы пространственно дифференцированы не только на профильном, но и на агрегатном уровне.

Таким образом, актуальность темы определяется, во-первых, недостаточной изученностью особенностей формирования градиентов концентрации ⁹⁰Sr на агрегатном уровне почвы и, во-вторых, необходимостью поиска путей снижения поступления ⁹⁰Sr в растения путем регулирования состояния данного радионуклида.

Кроме того, изучение поведения ⁹⁰Sr продолжает оставаться актуальным в связи с потенциальной опасностью аварий на ядерных объектах, о чем свидетельствует авария на АЭС Фукусима-1 в 2011 году.

Нами выдвинута гипотеза о важнейшей роли растений в формировании градиентов концентрации веществ, что влияет в свою очередь на питание растений.

Степень разработанности темы. Испытание и использование ядерного оружия в конце второй мировой войны стимулировали формирование и развитие нового научного направления – агрохимии ядерных продуктов деления (Клечковский, и др., 1958; Гулякин, и др., 1973; Юдинцева, и др., 1968). В число приоритетных задач данного направления входило исследование поведения радионуклидов в системе почва-растение, а также поиск приемов эффективного снижения уровней поступления радиоактивных загрязнений в растения путем использования различных агротехнических приемов.

С конца прошлого столетия обозначился малоизученный аспект корневого
поглощения веществ, включая и радионуклиды, в агрегированных почвах,
связанный с гетерогенной структурой и пространственной дифференциацией
содержания и состояния вещества на агрегатном уровне. Речь идет о различиях
условий корневого питания из различных частей почвенных агрегатов и порового
пространства почв: поверхность агрегатов и внутрипедный объем,

внутриагрегатное и межагрегатное поровое пространство. Отмечаются две причины пространственной дифференциации корневого поглощения на агрегатном уровне: а) различия концентраций и химических форм элемента в указанных частях почвенного пространства и б) различия в концентрации активных поглощающих корней на поверхности агрегатов, внутри- и межагрегатном поровом пространстве. Отдельные аспекты дифференциации состояния и поведения на агрегатном уровне, применительно к радионуклидам,

относительно подробно исследованы для ¹³⁷Cs и практически отсутствуют для ⁹⁰Sr (Фокин, и др., 2003).

Цель и задачи. Целью работы являлось исследование определяющих факторов формирования пространственной дифференциации состояния и поведения ⁹⁰Sr на агрегатном уровне почвы.

Для достижения данной цели, были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать кинетику сорбции ⁹⁰Sr почвой и оценить потенциальную возможность формирования сорбционных очагов концентрирования радионуклида на поверхности почвенных агрегатов;

2. Исследовать диффузию сорбированного ⁹⁰Sr, как фактор деструкции «очагов» концентрирования данного радионуклида в почве;

3. Оценить устойчивость «очагов» повышенной концентрации ⁹⁰Sr во времени;

4. Изучить динамику изменения корневого поглощения ⁹⁰Sr, в зависимости от локализации радионуклида в почвенных агрегатах;

5. Оценить роль корней в дифференциации состояния ⁹⁰Sr в почве;

6. Изучить распределение ⁹⁰Sr в различных группах органического вещества почвы.

Научная новизна. Впервые показана роль различных факторов (сорбция, диффузия, биологическое концентрирование) в формировании градиентов концентрации радиостронция в темно-серой лесной почве Владимирской области на агрегатном уровне.

В динамике проведен анализ зависимости корневого поглощения ⁹⁰Sr от его локализации в различных частях почвенных агрегатов.

Проведена оценка устойчивости сохранения очагов повышенной

концентрации данного радионуклида во времени.

Исследовано распределение ⁹⁰Sr в различных группах органического вещества почвы, что позволило оценить роль различных компонентов органического вещества почвы в формировании очагов концентрации радиостронция.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные
результаты, на примере ⁹⁰Sr, развивают существующие представления о корневом
поглощении веществ в условиях агрегированных почв. В основе этих
представлений лежит не традиционная характеристика усредненного растертого
образца, а реальные параметры структурно и функционально

дифференцированного почвенного пространства.

Химические и биологические особенности ⁹⁰Sr дают основание для экстраполяции результатов, полученных с этим радионуклидом, на ряд других биологически значимых элементов. Данное обстоятельство дает основание для выдвижения гипотезы о постоянно действующих естественных механизмах, находящихся в равновесии, формирующих и разрушающих структурную основу пространственной дифференциации вещества на агрегатном уровне почвы.

Зависимость корневого поглощения ⁹⁰Sr от пространственной

дифференциации и состояния на агрегатном уровне дает основание для поиска

путей снижения поступления данного радионуклида в растения, например, путем регулирования содержания основных «концентраторов» данного радионуклида в почвах – всех основных компонентов органических веществ.

Методология и методы диссертационного исследования. В работе использованы традиционные методические подходы, разработанные ведущими специалистами в области физики и химии почв, изотопно-индикаторных исследований в агрохимии и почвоведении. Кроме того, для выполнения поставленных задач с нашим участием были разработаны и апробированы новые методы изучения пространственной дифференциации состояния и поведения радионуклидов на агрегатном уровне почвы. Основы этих методов изложены в соответствующих разделах диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

7. Характер сорбционного взаимодействия ⁹⁰Sr с почвой и высокая скорость диффузии исключают возможность формирования устойчивых во времени сорбционных очагов концентрирования данного радионуклида на поверхности почвенных агрегатов и пор во внутрипедном объеме почвенной массе;

8. Дифференциация состояния радиостронция на агрегатном уровне почвы связана с характером распределения живой корневой массы и растительных остатков (детрита) в межагрегатном и внутриагрегатном поровом пространстве.

Степень достоверности и апробация результатов. Работа выполнена с использованием современных методик и оборудования. Все результаты были статистически обработаны. Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры агрономической, биологической химии, радиологии и БЖД факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева (2012, 2013, 2014, 2015), Также результаты исследований представлялись на Международных научных конференциях: XVI Молодежные Докучаевские чтения (3-5 марта 2013г.), XVII Молодежные Докучаевские чтения (4-6 марта 2014г.), XVIII Молодежные Докучаевские чтения (2-5 марта 2015г.), Ломоносов-2013 (2-5 апреля 2013г), Ломоносов-2014 (7-10 апреля 2014г.), Ломоносов-2015 (13-17 апреля 2015г.), Конференция молодых ученых РГАУ-МСХА (4-5 июня 2013г., 3-4 июня 2014г.), Биология ХХI века (21-25 апреля 2014г.), Moses-2014 (1-11 июля 2014г.), 7^th Congress ESSC (18-22 мая 2015г.), Moses-2015 (1-10 июля 2015г.).

Публикации. По результатам работы опубликованы 13 печатных работ, 2 из которых в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах, иллюстрирована 26 рисунками, содержит 11 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы, содержащего 192 источника, из них англоязычных 35.

Сорбция в почвах

Для понимания состояния, процессов миграции, трансформации веществ, происходящих в природной системе, необходимо знание физико-химических форм исследуемых элементов. Физико-химические формы в значительной степени определяют характер и динамику распределения веществ в экосистемах (Романов, 2014; Vyacheslavovna, et al., 2014; Яшин, и др., 2001). Например, в экспериментах с искусственным загрязнением растений и при проведении испытательных ядерных взрывов установлено, что при осаждении радионуклидов в составе жидких выпадений степень удерживания их растениями значительно выше, чем при выпадении в составе твердых частиц (Hungate, и др., 1960; Miller, 1965; Russell, 1966).

Физико-химические свойства веществ используются в агрохимических службах для определения наиболее подходящих форм удобрений в зависимости от условий, необходимых для питания тех или иных культур (Прянишников, 1940; Минеев, и др., 2004; Макаров, 1969; Клевке, и др., 2013).

Исследования в области изучения химических форм радиоактивных загрязнений показали, что отличительной особенностью является многообразие химических форм радионуклидов, как в атмосферных выпадениях, так и в почвенно-растительных комплексах и водных объектах (Kersting, и др., 1999).

Среди многообразия форм состояний радиостронция в природных средах с точки зрения прогнозирования их распространения и поведения в окружающей среде, прежде всего, выделяют водорастворимую, обменную, подвижную и необменную формы (Павлоцкая, 1974; Коноплев, и др., 1988).

В работах Круглова С.В. показано, что на начальном этапе попадания радионуклидов в почву, их формы не зависят от свойств почв, а определяются только удаленностью территории от источника загрязнения (Круглов, 1997).

Однако, известно, что со временем, после поступления частиц радиоактивных выпадений в почву они подвергаются физическому и химическому разрушению; радионуклиды, находящиеся в их составе, переходят в почвенный раствор, вступают в сложное динамическое взаимодействие с ППК, почвенной биотой, органическим веществом и т.п. (Щеглов, и др., 1996; Тюрюканова, 1979). Результатом этого взаимодействия является образование радионуклид-органических соединений, поступление части радионуклидов в почвенный раствор, фиксация их в кристаллических решетках глинистых минералов, поглощение ППК (Алексахин, и др., 1976; Щеглов, 2000). Данные процессы направлены на стабилизацию состояния радионуклида в экосистеме, т.е. на установление относительно стабильных соотношений между формами радионуклидов, стабилизацию главных потоков, составляющих биогеохимический цикл каждого радионуклида, и выравниванию противоположно направленных потоков (Фокин, и др., 2010). Существенная доля долгоживущих радионуклидов, к числу которых относится радиостронций (Т1/2=28,8 лет), попадает в окружающую среду в виде топливных частиц (необменная форма), другая часть — в виде образовавшихся в атмосфере в результате процессов конденсации, аэрозольных частиц в различных временных условиях (водорастворимая форма) (Тихомиров, и др., 1987).

По данным Бобовниковой Ц.И. и др., для радиостронция после его попадания на почву не происходит существенного перераспределения подвижных и неподвижных форм. Время выщелачивания 90Sr из топливных частиц составляет от 280 сут. до 6,7 лет в зависимости от типа почв. Водорастворимая фракция выпадений переходит в основном в обменное состояние. Нерастворимая же часть выпадений остается первое время в неизменном виде и не принимает участия в процессах обмена с водорастворимыми компонентами почвы (Бобовникова, и др., 1990).

Поступление радиостронция из атмосферы в водорастворимом состоянии, а также содержание в почве в ультрамикроконцентрациях, обусловливает специфику его взаимодействия с органической и минеральной частью почв (Клечковский, и др., 1958; Павлоцкая, и др., 1973).

При изучении закономерностей загрязнения растений глобальными выпадениями радиоактивных веществ из атмосферы показано, что значения коэффициентов пропорциональности между плотностью загрязнения территории и содержанием радионуклидов в урожае выше, чем при загрязнении непосредственно почвы, и корневом поглощении из почвы (Федоров, и др., 1969; Bruce, и др., 1966). Данное обстоятельство свидетельствует о важной роли растений в трансформации радионуклидов в водорастворимые формы.

Представляют интерес результаты опытов, проведенных с целью выяснения роли корневых систем растений в процессах перехода радиостронция из одного состояния в другое. Результаты опытов с дерново-подзолистой почвой показали дифференциацию в содержании различных форм радиостронция в ризосфере и в почве, относительно освобожденной от корней. Приведем некоторые результаты данных опытов: содержание водорастворимой фракции радиостронция в ризосферном пространстве опытного растения (клевер) составило 44%, обменной – 56%, необменной – 0%, а в почве, освобожденной от корней, результаты составили 16, 66 и 18% соответственно (Павлоцкая, и др., 1964). Данные свидетельствуют о значительной роли корней в состоянии радиостронция в системе – почва-растение.

Исследование прочности связи 90Sr на различных глубинах показало, что радионуклид, проникший на глубину 5—20 см, обладает большей подвижностью, увеличивается доля водорастворимой фракции, что свидетельствует о закреплении 90Sr растительными о органическими компонентами почвы (табл. 1) (Пристер, и др., 1990).

Изучение особенностей распределения 90Sr в зоне выпадений в результате аварии на Чернобыльской АЭС показало, что с увеличением расстояния от источника, радиостронций присутствует в основном в водорастворимой и обменной формах (Щеглов, 2000). Данное обстоятельство подтверждает положение о включении веществ в биогеохимические циклы и распространении в результате лесных пожаров, в частности для радиостронция (Лурье, 2010).

Таким образом, наиболее актуальным является изучение поведения водорастворимых и обменных форм радиостронция. Попадая в почву, водорастворимая форма переходит в обменное состояние, следовательно, радионуклид находится в наиболее доступной форме для поглощения растениями и миграции в почвенном профиле (Бондарь, и др., 2000).

Также изучение поведения водорастворимых форм является актуальным с точки зрения агрохимии, т.к. удобрения выпускаются в основном в водорастворимых формах для увеличения доступности растениям биофильных элементов (Ягодин, и др., 2002).

Сорбция веществ является одной из основных биогеоценотических функций почвы (Добровольский, 2008). Рассмотрим основные сорбционные свойства почв. Следствием развития известного положения о почве, как «многокомпонентной, многофазной системе» (рис. 2) (Докучаев, 1883), является представление о почве, как полифункциональном сорбенте. Данный факт сказывается на поведении в ней растворимых веществ вообще и ионов радионуклидов в частности.

Основные компоненты почвы Первые работы, посвященные изучению сорбционных свойств почв, связаны с именами таких выдающихся ученых, как Гедройц К.К., Сабанин А.Н., Никольский Б.П., Гапон Е.Н., Антипов-Каратаев И.Н. и др. (Сабанин, 1909; Гедройц, 1922; Антипов-Каратаев, 1933; Никольский, 1934; Гапон, 1934). Ими была сформулирована концепция сорбции веществ, выделены различные сорбционные группы, участвующие в данном процессе. Учение о поглотительной способности почвы позволило прогнозировать поведение веществ в почве, как биофильных элементов, так и токсикантов (Горбунов, 1948; Sparks, 2003).

Полифункциональность почвы, как сорбента приводит к дифференциации концентрации веществ в различных почвенных компонентах (Соколова, и др., 2009). В таблице 2 представлены основные сорбционные комплексы почв и их свойства. Основным свойством почвы как сорбента, характеризующего количество вещества, удерживаемое почвой, является емкость поглощения (Robertson, et al., 1999). Данная величина зависит от агрохимических характеристик почвы, например таких, как рН среды, содержание органического вещества (Орлов, 1992).

Радионуклид

В опытах радионуклид вносился в почву из расчета не более 1 КБк на 1 кг почвы. При этом массовая концентрации Sr2+ была менее 10-4 моля на 1 кг почвы и не оказывала какого-либо влияния на основные химические и физико-химические свойства почвы (рН, состав обменных оснований, ЕКО и др.) и состояние других элементов.

Измерения активности образцов проводились на счетчике Гейгера-Мюллера типа СТС-13. Все данные были обработаны в Excel с помощью надстройки Agstat, специально разработанной для изучения статистики в биологических опытах. Методика исследования кинетики сорбции и диффузии радиостронция приведена в соответствующей главе диссертации (3.1)

Для изучения поведения радиостронция на агрегатном уровне, прежде всего, нами поставлен вегетационный опыт, в котором использовались агрегаты с различным пространственным расположением радионуклида – поверхностно, тотально и внутри меченые агрегаты (рис. 8). Данные агрегаты получены по методике Фокина А.Д. и др. (Фокин, и др., 2013).

Нами проведен сравнительный анализ плотности и пористости, искусственно полученных и естественных агрегатов, чтобы определить существуют ли различия в условиях развития корневой системы растений. Для определения плотности агрегатов использовался метод парафинирования агрегатов (Шеин, и др., 2007). Сущность метода состоит в нанесении парафина на поверхность агрегатов для избегания смачивания поверхности агрегатов, при опускании их в жидкость. По разнице объемов, определялся объем агрегатов. Зная массу и объем, рассчитывалась плотность. Пористость определялась расчетным путем, исходя из значений плотности и плотности твердой фазы агрегатов.

Рисунок 8 – Почвенные агрегаты с различным пространственным расположением радионуклида – поверхностно (1), тотально (2) и внутри (3) меченые агрегаты

Перед набивкой сосудов воздушно-сухая почва рассеивалась на агрегаты разного размера и агрегаты той фракции, с которой предполагались исследования, количественно заменялись мечеными агрегатами того же размера. Например, при рассеивании образца темно-серой лесной почвы в ней обнаружилось 10,0% агрегатов размером 7-10 мм. Они были изъяты и заменены на соответствующее количество меченых агрегатов. При набивке сосудов агрегаты не перемешивались механически, а послойно вносились небольшими порциями различных фракций в соответствии с их долей в исходной смеси. Эта предосторожность связана с предотвращением механического разрушения агрегатов в процессе закладки опыта.

Опыт проводился в сосудах Митчерлиха, вмещающих 5 кг почвы, растения выращивались до получения семян, после чего для изучения в динамике, в тех же сосудах без перенабивки почвы, повторно выращивались те же растения.

Исследования агрегатного состава почвы проводились методом сухого просеивания Н.И. Саввинова. Принцип метода основан на просеивании через набор сит диаметрами отверстий 10; 7; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм не растертой воздушно-сухой почвы с последующим взвешиванием массы каждой фракции почвы на ситах (Ганжара, и др., 2002). В каждой фракции измерялось содержание 90Sr.

Оценка устойчивости почвенных агрегатов во времени проведена визуальным методом. Оценка проводилась в варианте с внутри мечеными агрегатами. Благодаря, внешней оболочки агрегатов из подзолистой почвы, мы могли визуально провести оценку процесса переагрегирования почвенной массы (рис. 9).

Была также определена радиоактивность фракции почвы 0,02 мм. Выделение данной фракции производилось гранулометрическим анализом по методу Качинского Н.Н. с периодом отстаивания почвенной массы в течение 5 часов (Ганжара, и др., 2002). Также изучали пространственное распределение радиостронция в различных слоях почвенных агрегатов. Проводилось послойное отмывание поверхностных слоев с дальнейшим определением скорости счета образцов каждого слоя. Для изучения содержания растительных остатков в почвенных агрегатах использовали метод определения потери от прокаливания. Суть метода заключается в гравиметрическом анализе. Изменение массы образца происходит в результате сгорания органического вещества почвы и потери влаги. Зная содержание гумуса и влажность почвы, можно рассчитать в процентах содержание растительных остатков и детрита.

Изучение накопления радиостронция растениями в период вегетации проводилось путем отбора растительных образцов в течение вегетации и анализа содержания 90Sr. Интервал между измерениями составил 2 недели. Рассчитывались коэффициенты накопления радионуклида по формуле:

Содержание радионуклида оценивалось по активности образцов. Это оправдано для радиологических исследований в связи с тем, что радионуклид находился в ультра микроконцентрациях. Определялась скорость счета образцов, зная эффективность счета, рассчитывалась активность образца. Опыты, в которых проводился относительный анализ содержания радиостронция, не было необходимости в использовании таких абсолютных величин, как концентрация 90Sr образца.

Для изучения роли растений в распределении радиостронция на агрегатном уровне почвы, нами был заложен вегетационный опыт, в котором радионуклид был введен в растения. Был выбран вариант введения радиостронция из раствора хлорида стронция в проростки гороха, имеющие длину первичного корня 2-3 см, с последующим выращиванием растений на почве. Проростки выдерживались на растворе радиостронция 2 суток (рис. 10). За это время они поглотили из раствора около 90% от общей активности нуклида.

Проростки высаживались в сосуды с почвой, объемом 0,5 л. При подготовке почвы из нее были отобраны все видимые корни и в разных сосудах (повторностях) был выровнен агрегатный состав. Соотношение агрегатов разного размера соответствовало их соотношению в исходной почве: 10 мм – 16%, 7-10 – 10%, 5-7 – 8%, 3-5 – 20%, 2-3 – 15%, 1-2 – 15%, 1 мм – 16%.

Рисунок 10 – Проростки гороха в растворе радиостронция Растения выращивались в течение двух месяцев. Агрегатный состав был смоделирован, как и в опыте, где радионуклид вносился непосредственно в почву. Концентрация радиостронция также была одинаковой. Следовательно, оправдана возможность сравнения результатов данного опыта с результатами опыта, в котором радиостронций вносился в почву.

При таком способе введения 90Sr в корни радионуклид перераспределялся по органам растений в процессе их роста. Проверка после окончания опыта показала наличие радионуклида во всех частях корневых систем растений.

Растения вегетировали на почве в течение двух месяцев, после чего сосуды были разобраны для изучения распределения 90Sr по различным фазам и объемам почвенной массы. Определяли распределение 90Sr по фракциям агрегатов разного размера. Оценка распределения радионуклида проводилась между отдельными компонентами почвенной массы, не прибегая к жестким химическим воздействиям при их разделении. Прежде всего, мы имели возможность частично отделить и измерить активность 90Sr в фазе живых, точнее, свежих корней путем их ручного отбора из межагрегатного пространства и срезая с поверхности агрегатов.

Поскольку из внутрипедной массы выделить отдельно тонкие корни очень сложно, мы частично выделили из агрегатов после их размачивания на сите с размером ячеек 0,5 см смесь тонких корней и растительных остатков разной степени разложения, значительная часть которых оставалась на сите. Данная методика предложена Кононовой М.М. (Кононова, 1963). Затем механически разделялись корни и частицы детрита, в которых определяли содержание 90Sr.

Наконец, было определено содержание 90Sr в остатке почвы после частичного удаления из нее свежих корней и частиц растительных остатков размером более 0,5 мм. При этом следует иметь в виду, что при таких обработках систему почвенных минерально-гумусовых соединений мы практически не затронули

Изучение скорости диффузионного перемещения 90Sr в почве

На рисунке 15 представлен график элюции 90Sr из почвы 0,1 н. KCl. Следует отметить, что десорбция 90Sr из почвы проходила не по кривой близкой к экспоненте, а по ступенчатой кривой. Кроме того, для практически полной десорбции 90Sr потребовалось довольно значительное время промывания – порядка 4х часов. Возможно, что отмеченные особенности связаны с частичным разрушением мелких агрегатов в процессе промывки и увеличением сорбирующей поверхности.

В естественных условиях почвенные растворы, конечно, имеют существенно более низкие концентрации ионов, чем концентрация используемой нами соли. Тем не менее, постоянное наличие различных ионов обеспечивает непрерывное протекание реакций ионного обмена 90Sr, то есть какая-то часть радионуклида постоянно находится в фазе почвенного раствора. Эта часть может свободно диффундировать в объеме почвы, что, вероятно, исключает возможность образования устойчивых очагов концентрирования данного радионуклида сорбционного типа, подобно 137Cs, например, на поверхности почвенных агрегатов. Однако, кратковременное концентрирование возможно непосредственно после выпадения радионуклида на поверхность почвы, но время «жизни» очага такого типа не может превышать, как показали следующие исследования, продолжительности одного вегетационного периода.

Экспериментально изучалось распределение 90Sr (90Y) в незагрязненной почве. Поскольку контакт образцов происходил длительное время (от 1 недели до 1 года), то можно считать, что во всех отобранных пробах было достигнуто радиоактивное равновесие между 90Sr и 90Y. В каждом из них измеренная скорость счета характеризовала содержание 90Sr (и, соответственно, равновесного 90Y). В незагрязненном образце диффундирующий 90Sr формировал определенный тип распределения или «фронт» распределения. При таком типе распределения возникает вопрос – по какой точке фронта можно оценить среднюю скорость диффузионного перемещения. Рассмотрим это на примере одной из кривых диффузионного распределения, полученных за 191 день контакта загрязненной и незагрязненной почв (рис. 16) (прил. А, табл. 4).

Представленный тип распределения свидетельствует о том, что отдельные ионы имеют различный пробег, диффундируя в слое почвы. Это связано с неоднородностью порового пространства и, вероятно, с неравномерным распределением сорбционных центров в объеме почвы. В этом случае координату точки, характеризующей среднее перемещение отдельных ионов 90Sr2+ будет обозначать точка пересечения вертикальной секущей с экспериментальной кривой, которая образует две одинаковые по площади зоны – А и В. По физическому смыслу координата вертикальной секущей по абсциссе характеризовала бы диффузионную зону, если бы перемещение всех ионов было одинаковым. В нашем случае можно принять, что среднее диффузионное перемещение 90Sr за 191 день составило приблизительно 9 мм (прил. А, табл. 5).

На рисунке 17 показана серия кривых диффузионного распределения, из которых следует, что средняя скорость диффузионного перемещения за 1 год составила около 1,5 см, то есть наблюдается постепенное существенное снижение скорости диффузионного потока – за 1 год приблизительно в 20 раз (прил.А, табл. 1-6). Максимальная скорость диффузии за 6 суток составляла 2,510-5 мм/с, а за 372 дня – 1,410-6 мм/с.

Данный способ определения коэффициента диффузии радионуклида в почве включает измерение распределения радионуклида по глубине почвы через промежуток времени (Соколов, и др., 1996). По данной методике, измеряется расстояние от внешней поверхности почвы до точки с максимальной концентрацией радионуклида. Со временем коэффициент диффузии в нашем опыте менялся. Это также свидетельствует о том, что на первых стадиях не было достигнуто диффузионное равновесие. Только в последних двух точках коэффициент диффузии остался неизменным (различия находятся в пределах стандартного отклонения). " 20

Условно кривую кинетики сорбции 90Sr почвой можно разделить на два участка, характеризующих быструю и медленную скорости на начальных и заключительных этапах сорбционного процесса. Приблизительно десятикратное различие в скоростях также свидетельствует в пользу наличия процессов внутренней диффузии 90Sr в мелкие агрегаты почвы.

Десорбция сорбированного 90Sr также протекала медленно. Раствор 1 н.КCl десорбировал 90Sr на 97%, однако на это потребовалось около 4х часов, т.е. почти в три раза больше, чем время необходимое для установления сорбционного равновесия. Мы предполагаем, что причина столь медленной десорбции, а также нетипичного вида кривой десорбции связана с частичным разрушением мелких агрегатов в процессе промывания слоя почвы. Тем не менее полученный результат подтверждает положение об обменном типе поглощения 90Sr и, соответственно, о его высокой доступности для корневого поглощения растениями.

Кроме того, обменное поглощение 90Sr не способствует формированию устойчивых сорбционных зон концентрирования радионуклида на поверхности агрегатов, что подтверждено опытами по изучению диффузии радиостронция.

Наблюдения за диффузией приблизительно в течение 1 года показали, что за 1 год среднее перемещение 90Sr составляло 1,5 см. Эта скорость достаточно высокая, чтобы «размыть» сорбционное накопление 90Sr на поверхности агрегата диаметром 1 см в течение нескольких месяцев, особенно если учесть, что на начальных стадиях сорбционного перемещения скорость диффузионного потока почти на порядок выше, чем скорость спустя 1 год после начала процесса.

Однако если сопоставить скорости диффузионных потоков 90Sr с линейной скоростью прироста корневой массы (десятки сантиметров за вегетационный период), то становится очевидным, что для поглощения 90Sr корнями растений большее значение имеет прирост корневой массы, чем диффузия, а корень активно передвигается и находит зоны локализации радионуклида в почвенном пространстве.

Оценка изменения агрегатного состояния почвы и 90Sr в составе агрегатов в условиях вегетационного опыта

В литературе неоднократно обсуждались отдельные аспекты проблем, связанных с наличием существенных различий в составе и свойствах почвенной массы, а также процессов имеющих место в поровом пространстве почвы, на поверхности почвенных агрегатов и во внутрипедной массе (ВПМ) (Вильямс, 1893; Тягны-Рядно, 1962; Ванькова, 2011; Фокин, и др., 2003).

Можно выделить несколько наиболее часто обсуждаемых версий, связанных с механизмами и причинами дифференциации состава и свойств почвы на агрегатном уровне:

1. Существенные различия в количестве и соотношении отдельных групп почвенных микроорганизмов на поверхности агрегатов и во внутрипедной массе, связанные с контрастными окислительно-восстановительными условиями в объеме агрегата. Следствием этих различий является дифференциация условий микробиологической и химической трансформации органических и минеральных соединений в различных частях агрегата, что приводит, в свою очередь, к дифференциации вещественного состава поверхностной и внутрипедной масс ВПМ (Ванькова, 2011; Вильямс, 1893; Вильямс, 1939).

2. Различия во взаимодействии мигрирующих в почве растворов с поверхностью агрегатов и ВПМ. Водная миграция в почвах происходит преимущественно в межагрегатном поровом пространстве, и вещества почвенных растворов мало влияют на ВПМ (Шеин, и др., 2002; Шеин, и др., 1997, Stumm, 1992).

3. Наиболее убедительное проявление такого механизма показано на примере формирования кутан сложного состава на стенках трещин и миграционных каналов в иллювиальных горизонтах текстурно дифференцированных почв подзолистого типа (Бронникова, и др., 2005).

4. Во второй половине прошлого века начал активно обсуждаться еще один аспект дифференциации состава почв на агрегатном уровне, связанный с обострением проблемы химического и радиоактивного загрязнения почв. При поступлении загрязнений в агрегированную почву их первичное взаимодействие, прежде всего сорбционное закрепление, происходит не со всей почвенной массой «равномерно», а преимущественно с поверхностью агрегатов и формированию градиентов концентрации загрязняющих веществ на агрегатном уровне почв (Фокин, и др., 2003).

Почвенно-генетические и биологические аспекты проблемы дифференциации состава, свойств и процессов на поверхности почвенных агрегатов, во внутрипедной массе и в поровом пространстве почвы, а также актуальность изучения поведения загрязняющих веществ в почвах побудили исследователей к поиску эффективных приемов раздельного аналитического изучения названных объемов и поверхностей почвенной массы (Тягны-Рядно, 1962; Фокин, и др., 2013).

Проведенные исследования дали основание для предположения, что дифференциация на агрегатном уровне динамична во времени, благодаря действию различных процессов, направленных как на формирование и восстановление градиентов концентраций, так и на их уничтожение. К числу первых можно отнести три перечисленные выше: дифференциация окислительно-восстановительных условий на агрегатном уровне, различия во взаимодействии мигрирующих веществ с поверхностью агрегатов и ВПМ, преимущественное первичное взаимодействие поллютантов с поверхностью агрегатов. К процессам, нивелирующим градиенты концентраций, можно отнести следующие.

Диффузия, которая проявляется, прежде всего, для слабосорбирующихся веществ. Например, в большинстве типов почв трудно ожидать наличие устойчивых градиентов концентрации на агрегатном уровне для нитратов. 2. Переагрегирование почвенной массы, которое может происходить с разной скоростью благодаря действию естественных процессов разрушения и новообразования агрегатов, а также под влиянием агротехнических приемов. Характерные времена для процессов естественного переагрегирования в условиях дерново-подзолистой почвы под залежью и темно-серой лесной почвы под лесополосой составляли единицы лет (Фокин, и др., 2013).

Преимущественно корневое поглощение элементов, сконцентрированных на поверхности агрегатов, по сравнению с ВПМ. Например, было обнаружено, что 90Sr и 137Cs поглощались с поверхности почвенных агрегатов в разы более интенсивно, чем из ВПМ.

По-видимому, все естественные процессы, направленные как на формирование, так и на разрушение градиентов концентраций веществ и организмов на агрегатном уровне имеют различную сезонную интенсивность, зависят от фаз развития растений, поступления в почву отмершей биопродукции и условий для ее микробиологической трансформации, особенностей сезонной динамики миграционных процессов и т.д.

В перечисленных выше примерах не рассматривается влияние растений на формирование дифференцированного состояния вещества на агрегатном уровне. Между тем, на наш взгляд, именно растения играют основную роль в этих процессах.

Механизмы формирования пространственной дифференциации веществ на агрегатном уровне под влиянием растений представляются следующим образом. Корни, обогащенные по сравнению с почвенной массой каким-либо элементом, локализуются в межагрегатном пространстве почвы и во внутриагрегатных порах. Отдельные продукты микробиологического разложения и гумификации отмершей корневой массы диффундируют к поверхности агрегатов и стенкам пор, удерживаются на них за счет различных адгезионных механизмов, формируя их вещественный состав. Возможно, что на состав и свойства поверхности агрегатов и стенок пор оказывают влияние и корневые выделения растений. Для полноты представлений о роли корней в формировании градиентов концентрации веществ на поверхности агрегатов и во внутрипедной массе необходимо также учитывать наличие противоположно направленных процессов преимущественного корневого поглощения веществ с поверхностей агрегатов и пор, которые разобщены во времени. Таким образом, можно предположить наличие определенной сезонной динамики, в которой чередуются процессы преимущественного восстановления и формирования поверхностных аккумуляций на агрегатном уровне и периоды их деструкции. В данной главе мы рассматриваем результаты экспериментального исследования перехода двух искусственных радионуклидов – 90Sr из корневых систем растений в почвенную массу и их распределение между различными фазами и частями агрегатов и порового пространства почвы.

Дифференциация состава и свойств почвы на агрегатном уровне под влиянием корневых систем растений связана с характером распределения живой корневой массы и растительных остатков (детрита) в межагрегатном и внутриагрегатном поровом пространстве. Нами в первую очередь была проведена попытка оценить пространственные характеристики исследуемой почвы. В таблице 10 показаны результаты полученных данных. Обращаем внимание на показатели, имеющие существенное значение в наших исследованиях. Общий объем порового пространства занимает более половины от общего объема почвенной массы. Объемы внутриагрегатной пористости и межагрегатного пространства приблизительно сопоставимы для почвы, но межагрегатное пространство на 20-30% уступает объему внутриагрегатной пористости.