Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор влияния радиоактивных загрязнений на экосистемы 9
1.1. Реакция биологических объектов на ионизирующие излучения 9
1.2. Накопление и перенос радионуклидов в водных экосистемах 11
1.3. Внутренние дозы облучения и пути проникновения радионуклидов в организм человека 15
1.4. Обобщение данных по прямым последствиям выпадения радиоактивных осадков для биоты 17
1.4.1. Общие выводы по влиянию радиоактивности на экосистемы 18
1.4.2. Процессы восстановления 22
1.5. Ландшафтно-экологический анализ радиоактивного загрязнения некоторых российских земель вследствие аварии на Чернобыльской АЭС 24
Глава 2. Влияние радиоактивных загрязнений на экосистемы Краснодарского края 35
2.1. Основные факторы, определяющие экорадиационную обстановку Краснодарского края 35
2.1.1. Вклад естественных радионуклидов в экорадиационную обстановку 43
2.1.2. Механизм возникновения экорадиационной проблемы 48
2.2. Естественная радиоактивность и загрязнения радионукли дом цезия некоторых регионов Краснодарского края по данным аэрогаммаспектрометрических исследований 50
2.3. Радиоактивное загрязнение цезием-137 Кавказского государственного биосферного заповедника 51
2.4. Радиоактивность и проблема сохранения ландшафтов Краснодарского края 56
Глава 3. Объекты и методы исследований 58
3.1. Методика измерения радиоактивности на территори и Краснодарского края 58
3.2. Объекты и методы исследований реперных точек территории Кубани 68
Глава 4. Некоторые особенности радиоэкологии Кубани 70
4.1. Некоторые изотопные и геохимические параметры ландшафтов Краснодарского края 70
4.2 Ландшафтно-экологический анализ территории Троицкого йодного завода (ТИЗа) 75
4.2.1. Прогноз дальнейшего изменения состояния окружающей среды территории ТИЗа 82
4.3. Миграция радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам 84
4.3.1. Поведение радионуклидов в почве 84
4.3.2. Накопление радионуклидов растениями 88
4.4. О корреляционных связях в радиоэкологии Краснодарского края 102
4.5. Оценка экологического (экорадиационного) риска и приоритетности радиоэкологии в Краснодарском крае 105
ВЫВОДЫ ПО
ЛИТЕРАТУРА 112
- Реакция биологических объектов на ионизирующие излучения
- Основные факторы, определяющие экорадиационную обстановку Краснодарского края
- Методика измерения радиоактивности на территори и Краснодарского края
Введение к работе
Актуальность темы. Структура и функционирование биологических систем в естественных и измененных человеком условиях - чрезвычайно актуальная задача научных исследований, одним из аспектов которой является изучение воздействия радиации на биологические объекты. Не случайно Международная комиссия по радиационной защите и Научный Комитет ООН по действию атомной радиации рассматривают (1997 г.) хроническое воздействие малых и ультрамалых доз радиации, на человека и среду его обитания, вызываемых естественными и искусственными радионуклидами, как ключевую проблему современной радиоэкологии.
Естественная радиоактивность в объектах биосферы в основном представлена космическими лучами и естественными радионуклидами (ЕРН).
Краснодарский край, как аграрный регион России, до последнего времени в плане изотопных исследований изучен весьма слабо. Экологическое изучение различных территорий Кубани становится весьма актуальным в последнее десятилетие: потребовалось систематическое обследование загрязнений радионуклидами естественного происхождения и техногенных загрязнений, вызванных, в частности, аварией на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Кроме того, край испытывает существенную антропогенную нагрузку от последствий неправильного ведения разработок недр, например, деятельность Троицкого йодного завода (в результате которой на поверхности образовались отвалы бромида радия), Краснодарского ртутного рудника и др.
Особенно актуальным является изучение радиационного фона территорий, где располагаются: санаторно-курортная зона Азово-Черноморского побережья, курорты Адыгеи, Кавказский государственный биосферный
заповедник.
Выбор в качестве объекта исследования радионуклидов (цезия-137, калия-40, урана-238, тория-232 и продуктов их распада) обусловлен тем, что экорадиационная обстановка Краснодарского края определяется, в основном, наличием этих загрязнителей.
Вместе с тем, в Краснодарском крае, в аграрном регионе, почва является основой экономики. Почвенная оболочка биосферы - педосфера -один из основных компонентов в природе, где происходит локализация искусственных радионуклидов, сбрасываемых в окружающую среду человеком вследствие его техногенной деятельности.
В различных радиологических ситуациях (особенно это касается случаев, когда в окружающую среду поступают долгоживущие радионуклиды) аккумуляция радионуклидов растениями из почвы определяет исходные масштабы включения радионуклидов в пищевые цепи в системе: радиоактивные выпадения - почва - сельскохозяйственные растения -сельскохозяйственные животные - человек. С этим связано большое значение звена: почва - растение в общем цикле круговорота радионуклидов в наземной среде, в целом и в агропромышленной сфере, в частности.
Изучение радионуклидов в почвах и растениях весьма важно, так как до настоящего времени многие генетические типы пород и почв Краснодарского края вообще не охарактеризованы по содержанию радионуклидов; не установлены закономерности распределения ЕРН в системе порода-почва-растение; имеющиеся экспериментальные данные по содержанию ЕРН не обладают необходимой статистической достоверностью, а результаты радиоэкологических исследований разных лабораторий с использованием различных методик, вносят неопределенность в их трактовку.
Цель исследования заключается в экологическом мониторинге распределения и миграции радионуклидов в почвенно-растительном покрове Краснодарского края (1995-2005 гг.). В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Выявление радионуклидов - основных загрязнителей территории Краснодарского края.
Оценка влияния распространения радионуклидов на геоэкологическую обстановку в крае.
Выявление региональных особенностей Краснодарского края по содержанию ЕРН в почвах и растениях.
Установление форм нахождения радионуклидов в основных типах почв с учетом гидротермических и ландшафтно-геохимических характеристик.
Исследование роли генетической связи основных элементов биосферы (порода, почва, растение) в биогеохимическом круговороте ЕРН.
Прогноз состояния территорий в результате накопления радионуклидов в экосистемах с целью предупреждения возникновения аномальных явлений.
Работа выполнена в рамках краевой целевой программы «Прогнозирование, снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Краснодарском крае» (госрегистрация № ГР 01.2.00 1.06699).
Научная новизна работы состоит в следующем:
выявлены основные факторы, определяющие экорадиационную обстановку Краснодарского края;
установлены основные закономерности распределения естественных радионуклидов в системе почва-растение;
установлены закономерности влияния климатических, ландшафтно-геохимических и др. условий на распределение естественных радионуклидов в разных типах почв и растениях;
дан исчерпывающий экологический анализ территории Троицкого йодного завода (Крымский район) - основной зоны загрязнения техногенными радионуклидами.
На защиту выносятся следующие положения:
Концепция возникновения экорадиационной проблемы на исследуемой территории Краснодарского края связана с накоплением в экосфере Кубани ЕРН: цезия-137, калия-40, урана-238, тория-232 и продуктов их распада.
Оценка параметрических различий в распространении радионуклидов на территории Краснодарского края зависит от физико-географических характеристик отдельных районов.
Различные факторы (геохимические, климатические, ландшафтные и др.) влияют на распределение и миграцию радионуклидов в системе: почва-растение.
Подвижные формы радионуклидов в почвах влияют на их накопление в растениях; биологические особенности растений, в частности, вегетационные определяют коэффициент накопления радионуклидов в корневой системе растений.
Отмечены корреляционные связи в радиоэкологии Краснодарского края: взаимосвязь накопления радионуклидов с гидрогеологическими параметрами, видами почв, количеством лесов, распространённостью заболеваний и т.д.
Теоретическая и практическая значимость работы. Материал диссертации используется в практической деятельности экологического предприятия "Поиск-LC" (Краснодар) и Научного центра естественной радиоактивности "Гея" (пос. Холмский, Краснодарский край), автор принимал участие в выполнении проекта РФФИ №03-03-32296.
Полученные результаты могут быть использованы для оценки дозо-вой радиационной нагрузки населения Краснодарского края, а также для разработки методологических основ радиационного контроля окружающей среды.
Апробация работы. Основные теоретические положения и практические рекомендации исследования были доложены: на Международном экологическом конгрессе (С. Петербург, 2000), 3-й Всероссийской конференции "Физические проблемы экологии" (Москва, МГУ,2001), конференции "Фундаментальные и прикладные исследования в естествознании" (Хабаровск, 2002), IV, VII и VIII Международных конференциях "Новые технологии и применение современных физических методов для изучения окружающей среды" (Ростов н/Д, 2003, 2006, 2007).
По теме диссертации опубликовано 9 работ, отражающих её основное содержание.
Реакция биологических объектов на ионизирующие излучения
Оценка влияния ионизирующих излучений (ИИ) на экологическое равновесие является неотъемлемым элементом прогноза возможного изменения животного и растительного мира. В неконтролируемых условиях возмущения равновесного состояния окружающей среды могут приводить к непредсказуемым результатам в последующих поколениях человека и биоты. Поэтому контроль ионизирующих излучений и их воздействие на окружающую среду в эпоху развитой атомной энергетики является одним из необходимых требований сохранения человека, животного и растительного мира.
При воздействии ИИ на окружающую природную (газообразную, жидкую или твердую) среду происходит поглощение излучения, возбуждение и ионизация ее атомов. Воздействие ИИ на растительную (или живую) клетку нарушает физико-химические процессы в ней и ее окружении. Характер повреждения растения (органа или организма) существенно зависит от величины поглощенной энергии (дозы) излучения.
При воздействии ИИ на живую ткань следует различать два возможных случая; 1 - малоинтенсивного излучения, когда преобладают стохастические процессы и зависимость эффекта воздействия от дозы излучения имеет линейный характер (например, онкологические заболевания, мутации) и 2 - когда зависимость эффекта воздействия от дозы излучения имеет детерминированный пороговый характер.
Остаточное ионизирующее излучение связано в первую очередь с локальными и глобальными радиоактивными осадками. Имеются оценки их интенсивности и пространственного распределения (Caldwell, 1981).
Основная часть радиоактивных осадков состоит из продуктов распада, возникающих при делении ядер урана или плутония. Большинство таких продуктов радиоактивно и постепенно распадается дальше с образованием в основном бета-частиц и некоторого количества гамма-лучей. Период полураспада 300 радиоактивных изотопов 36 исследованных химических элементов варьирует от долей секунды до миллиона лет. Существует обратная зависимость между удельной активностью радионуклида (Ки/г) и периодом его полураспада. Радиоактивные осадки сначала отличаются высокой активностью, но затем она быстро падает по мере распада коротко-живущих изотопов и образования смеси более долгоживущих. Среди многих продуктов распада лишь несколько имеют особое биологическое зна-чение. Это обусловлено их высоким выходом, достаточно долгим периодом полураспада, мощным излучением и химическими свойствами, что и позволяет распространяться им по пищевым цепям и накапливаться в живых тканях.
Другим важнейшим источником радиоактивного заражения является нейтронная активация ранее стабильных веществ в почве, воздухе, воде и других материалах в случае ядерного взрыва. Образующиеся в результате радионуклиды, как правило, отличаются от основных продуктов ядерного распада. Многие радионуклиды, возникшие под действием нейтронной активации, представляют собой изотопы питательных макро- или микроэлементов и включаются в организмы и пищевые цепи. Однако, дозы облучения, получаемые людьми, зависят в основном, от продуктов распада.
Как только частицы радиоактивных осадков осели, их поведение и дальнейшая судьба будут определяться местом оседания, растворимостью и химическими свойствами. Относительно растворимые нуклиды достаточно легко циркулируют по пищевым цепям в водных и наземных экосистемах. Нерастворимые радиоактивные изотопы быстро накапливаются в почве или осадках, или собираются листьями растений. Эти радионуклиды могут давать внешние и внутренние биологические дозы облучения. Внешние дозы обусловлены, в основном, гамма-лучами и в типичном случае поглощаются всем организмом растения или животного.
Общее облучение биоты или людей будет связано первоначально главным образом с внешними дозами. Со временем внутренние дозы становятся значительными и в итоге начинают преобладать над внешними. Внутреннее облучение происходит в результате заглатывания или вдыхания радионуклидов. Хотя, альфа- (и в значительной мере бета-) лучи не дают биологически значимых внешних доз, при попадании во внутрь организма они начинают представлять опасность. В особенности это касается альфа-частиц, обладающих относительно сильным биологическим действием.
Основные факторы, определяющие экорадиационную обстановку Краснодарского края
Экорадиационная обстановка Краснодарского края формируется под влиянием космического излучения, естественных радионуклидов (калия-40, геохронологического распределения урана-238, тория-232 и продуктов их распада), радиоактивных аварийных выбросов Чернобыльской АЭС за 1986 г. и техногенных источников ионизирующих излучений (ИИИ) различного характера.
Наибольшую экологическую опасность представляют неконтролируемые радионуклиды естественного происхождения и радиоактивные загрязнения Чернобыльской АЭС, имеющие явно выраженный неоднородный характер. Радиационный фон г. Краснодара составляет 11,6 - 16,4 мкР/ч.
Планомерное радиометрическое и радиогидрогеологическое изучение территории Краснодарского края начало проводиться с 1956 г. методами пешеходной и автомобильной гамма-съёмки, гамма-каротажа скважин различного назначения и радиогидрологического опробирования на уран и радий родников, колодцев и скважин.
Радиометрическое изучение обнажений горных пород в горной части края осуществлялось при проведении геолого-съёмочных работ геологическими партиями.
Если равнинные и предгорные районы Краснодарского края изучены на глубину от 18 до 5000 метров, то горные районы изучались, в основном, только с поверхности.
Проведёнными исследованиями было выявлено большое количество радиоактивных объектов, в том числе и близповерхностных, (залегающих на глубину до 20 м) приуроченных, в основном, как к осадочным породам, начиная от наиболее древних палеозойских и кончая самыми молодыми -постплиоценовыми, так и к водоносным горизонтам этих же отложений.
Наиболее распространёнными близповерхностными радиоактивными объектами на территории Краснодарского края являются гидрогенные эпигенетические проявления урана, приуроченные к аллювиальным песча-но-глинистым осадкам верхнеплиоцен-постплиоценового возраста, выполняющим Азово-Кубанскую впадину в пределах северных, западных, восточных и центральных районов края. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) этих проявлений находится в пределах 30-80 мкР/ч, а содержание урана в пластах от 50 до 150 г/т.
Несколько меньшим в количественном отношении являются близпо-верхностные радиоактивные объекты, представляющие гидрогенные проявления урана пластово-эпигенитического типа, установленные в песчано-глинистых и карбонатных отложениях миоценового возраста в полосе их выхода на поверхность в Анапском, Крымском, Мостовском, Лабинском и Отраднинском районах. МЭД ураноносных пластов этих проявлений изменяется от 30 до 160 мкР/ч, а содержание урана в пластах от 50 до 200 г/т.
Радиоактивные объекты, представляющие близповерхностые проявления урана органогенно-фосфатного типа, установлены в глинистых отложениях майкопского возраста в полосе их выхода на поверхность в Анапском, Отрадненском и Успенском районах.
МЭД пластов, обогащенных ураноносными рыбными остатками, до 60 мкР/ч и содержания урана (в пластах) 50 г/т.
В этих отложениях характерно наличие радиоактивного равновесия между ураном и радием.
Следует отметить, что в большинстве радиоактивных объектов урановое оруденение, обычно, молодое и характеризуется сдвигом радиоактивного равновесия в сторону урана, чем и объясняются сравнительно невысокие значения регистрируемого гамма-излучения при относительно повышенном содержании урана.
Анализ материалов геолого-геохимических и радиогидрогеологических исследований позволил прийти к выводу, что источником урана при формировании проявлений урана гидрогенного типа в отложениях песчаниковой толщи майкопских отложений, в песчано-глинистых и карбонатных отложениях миоценового возраста, выходящих на поверхность вдоль полосы предгорий, а также в аллювиальных осадках верхнеплиоцен-постплиоценового возраста, выполняющих Азово-Кубанскую впадину, является тысячеметровая глинистая толща майкопского возраста, содержащая рассеянные ураноносные рыбные остатки и выходящая на поверхность вдоль северного Кавказа и Ергелинской возвышенности.
Указанная толща характеризуется повышенным (25-35 мкР/ч) радиоактивным фоном и содержание урана в среднем 30 г/т. Каналами для транспортировки урана и других тяжёлых металлов, выщелачиваемых из рассеянных в глинистой толще рыбных остатков служили Палеокубань для восточных, центральных и западных районов Краснодарского края и Па-леодон для северных районов.
Методика измерения радиоактивности на территори и Краснодарского края
Как известно, ионизирующее излучение представляет собой поток заряженных и (или) незаряженных частиц. Говоря о взаимодействии излучения со средой, имеется в виду взаимодействие этих частиц с веществом среды, в которой распространяется излучение. Различают непосредственно ионизирующее излучение и косвенно ионизирующее излучение.
Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества. Примером этому могут быть а- и 3-излучения радионуклидов, протонное излучение ускорителей и т.п.
Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных (нейтральных) частиц, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредственно вызывать ионизацию.
Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии излучения облучаемым объектом, и доза,как мера поглощенной энергии представляет собой основную дозиметрическую величину.
Излучение распространяется в пространстве и во времени. В зависимости от характера распространения во времени различают: непрерывное и импульсное излучения. Это два крайних случая поведения излучения во времени. Излучение считается непрерывным, если его характеристики за рассматриваемый период времени остаются постоянными. Однако, за время наблюдения характеристики излучения могут изменяться. Под импульсным понимают такое излучение продолжительность действия которого значительно меньше времени наблюдения.
Дозиметрические измерения направлены на то, чтобы дать количественную оценку эффекта воздействия ионизирующих излучений на облучаемый объект. Однако, во многих случаях нет простой связи между поглощенной энергией и наблюдаемым эффектом. Знание дозы недостаточно для предсказания радиационного эффекта, который определяется также пространственным распределением поглощенной энергии по облучаемому объекту, фактором времени, видом и энергией ионизирующего излучения. Возникает необходимость в комплексном измерении нескольких взаимосвязанных физических величин, определенная комбинация которых могла бы быть связана с ожидаемым радиационным эффектом.
В практике измерения радиоактивности на территории Краснодарского края применялись сцинтилляционные спектрометры с большими кристаллами с "колодцами", позволяющие определять удельные активности порядка 10"14 - 10 "1э Ки/г при навесках анализируемого материала не превышающих 10-20 г, а зачастую и меньше (несколько г). Традиционный радиохимический метод определения малых концентраций радионуклидов требует больших затрат рабочего времени и связан с безвозвратной потерей анализируемого материала.
Помимо природных в биосфере присутствуют радионуклиды, появление которых связано с деятельностью человека. Основной источник их происхождения - предприятия ядерно-топливного цикла, испытания ядерного оружия, аварии на предприятия ядерно-топливного цикла. Это так называемые техногенные или искусственные радионуклиды (ИРН). Накопление радионуклидов (природного происхождения) иногда происходит и на предприятиях, на первый взгляд далёких от изотопов. К ним следует отнести, в основном, производства, связанные с разработкой недр. На территории Краснодарского края таким предприятием оказался Троицкий йодный завод, который, в результате неправильного технологического цикла, за 30 лет деятельности поднял на поверхность и накопил большое количество соединений радия; фон в близи отвалов достигает 1500 мкР/ч.
Была разработана методика (Невинский, Цветкова, 1995) и созданы низкофоновые системы определения а-, Р" и у- активных изотопов с высоким уровнем чувствительности, с минимальным объёмом радиохимического выделения и возможностью повторения в рядовых аналитических лабораториях и комплексирования методов измерения как радиоактивных, так и стабильных элементов.
Для разработки методики повышения чувствительности аналитических низкофоновых методов был создан комплекс, включающий подземное помещение, пассивную защиту и систему регистрации гамма-фона.
Для измерения фонового гамма-излучения применялся детектор на основе кристалла Nal(Tl) диаметром 100 и длиной 100 мм с колодцем 33 и глубиной 60 мм, сопряжённого с ФЭУ-110 через кварцевый световод. Корпус сцинтилляционного блока выполнен из меди марки Ml с последующим хромированием. Сцинтилляционный детектор был получен из ГЕО-ХИ РАН; энергетическое разрешение детектора составило 9,5 ±0,1% по пику l37Cs. Основные измерения выполнены на анализаторе АИ-1024. Время измерений вне пассивной защиты при многократных экспозициях составило 1000 с, а в защите - ежедневно по 7 часов рабочего времени в течение полугода.
