Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование и перспективы развития ядерных технологий определяют необходимость решения задачи обеспечения радиационной и экологической безопасности человека и среды его обитания. Специфическим фактором для ядерных технологий является образование и накопление искусственных радионуклидов, которые при определенных обстоятельствах могут поступать в окружающую среду. Основными источниками радиоактивного загрязнения являются: глобальные выпадения радиоактивных веществ из атмосферы после испытаний ядерного оружия, выбросы радионуклидов вследствие деятельности объектов ядерного энергетического комплекса, радиационные аварии.
К числу актуальных проблем при использовании ядерных технологий относятся: анализ и прогнозирование радиоэкологических последствий радиационных аварий, обращение с загрязненными территориями, анализ рисков для человека и окружающей среды при обращении с радиоактивными отходами. Решение перечисленных проблем требует системного подхода к анализу радиационно-экологической безопасности, в котором должны быть всесторонне рассмотрены источники радиоактивного загрязнения окружающей среды, миграция радионуклидов в биосфере, дозы облучения человека и биоты, а также возможные радиобиологические последствия воздействия ионизирующего излучения.
Начиная с классических работ В.И. Вернадского (Вернадский, 1929), достигнут значительный прогресс в изучении радиоэкологических процессов миграции радионуклидов в биосфере и последствий поступления антропогенных радионуклидов для экосистем (Тимофеев-Ресовский, 1962; Поликарпов, 1964; Тихомиров, 1972; Одум, 1975; Алексахин, 1982; Флейшман, 1982; Шеханова, 1983; Куликов, Чеботина, 1988; Криволуцкий и др., 1988; Таскаев и др., 1988; Алексахин, Фесенко, 2004; Рябов, 2004; Трапезников, Трапезникова, 2006; Whicker, Shultz, 1982). Обширный экспериментальный материал по параметрам перераспределения радионуклидов в экосистемах, радиобиологическим эффектам ионизирующего излучения был накоплен при изучении последствий крупных радиационных аварий, в первую очередь на ПО «Маяк» на Южном Урале 29 сентября 1957 г. и на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. (Израэль и др., 1990; Алексахин, 1993; Соколов, Криволуцкий, 1993; Алексахин и др., 2001; Позолотина, 2003; Спиридонов и др., 2007; Трапезников и др., 2007).
В настоящее время на территории России имеется ряд водных объектов, подвергшихся радиоактивному загрязнению, в том числе каскад водоемов на реке Теча, озера Брянской области и Южного Урала, река Енисей и др. Одними из наиболее уязвимых звеньев природного комплекса являются замкнутые водные экосистемы - озера и водохранилища, в которых происходит аккумуляция поступающих радиоактивных веществ и которые характеризуются весьма медленными темпами очищения. При этом длительному радиоактивному загрязнению подвергается водная биота, включая сообщества рыб, связанные пищевой цепочкой с человеком. Таким образом, загрязненные водные объекты могут стать источником дополнительной радиационной опасности как для природной флоры и фауны, так и для человека.
Важным инструментом в оценке радиоэкологических последствий загрязнения окружающей среды являются математические модели. В этой связи особое значение приобретает решение актуальной проблемы разработки системы
радиоэкологических моделей, позволяющих выполнить комплексную оценку распределения и миграции радионуклидов в компонентах экосистем, дозы облучения и радиобиологических эффектов, с использованием в качестве входной информации данных о поступлении радионуклидов в окружающую среду и данных мониторинга о содержании радионуклидов в абиотических компонентах экосистем.
Необходимость развития методов динамического моделирования для оценки миграции радионуклидов в экосистемах в настоящее время рассматривается как одна из приоритетных задач в радиоэкологии, поскольку упрощенные равновесные или квазиравновесные оценки не всегда адекватно описывают реальную радиоэкологическую ситуацию (например, перераспределение радионуклидов между трофическими уровнями экосистем, возрастными классами популяций, перенос мигрирующими видами биоты и др.). В настоящее время достаточно хорошо разработаны модели переноса радионуклидов в абиотических компонентах экосистем (атмосфере, почве, поверхностных водах). В то же время модели, предсказывающие накопление радионуклидов в биоте, развиты недостаточно, особенно методы динамического моделирования миграции радионуклидов в водных экосистемах. Актуальным научным направлением является разработка методологии обеспечения безопасности биологических организмов при радиоактивном загрязнении окружающей среды. Этому вопросу посвящен ряд современных публикаций МКРЗ, НКДАР, ООН, МАГАТЭ и других международных организаций.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в разработке комплексной модели оценки последствий радиоактивного загрязнения гидробиоценозов для биоты и человека на основе информации о поступлении радионуклидов в окружающую среду и данных радиационного мониторинга. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Построена новая динамическая модель, описывающая динамику накопления радионуклидов в гидробионтах, перераспределение и миграцию радионуклидов между компонентами гидробиоценозов.
Проведена параметризация модели на примере водных объектов, подвергшихся аварийному или хроническому радиоактивному загрязнению, включая водоем-
1^7 1^7
охладитель Чернобыльской АЭС ( Cs), озера Брянской обл. ( Cs) и Южного Урала (90Sr), реку Енисей (32Р, 65Zn, 137Cs) и др.
1 ^7
Выполнен анализ закономерностей в накоплении Cs разными возрастными группами рыб, впервые предложено теоретическое объяснение возникновения размерного эффекта в биоаккумуляции этого радионуклида в рыбе.
Разработана модель расчета коэффициента накопления Sr в рыбе в зависимости от концентрации Са в водной среде, с целью снижения неопределенности в оценках коэффициента накопления.
Разработана модель расчета динамики мощности доз внутреннего и внешнего облучения гидробионтов с учетом их морфометрических и экологических характеристик, определена процедура выбора референтных (представительных) видов биоты для проведения оценок радиоэкологического состояния экосистем.
Создана и проанализирована база данных по эффектам хронического облучения гидробионтов, построена шкала «мощность дозы - эффект».
Сформулирована модель оценки эффектов хронического облучения в зависимости от мощности дозы для гидробионтов.
Построена модель, позволяющая учитывать совместное действие хронического облучения и экологических факторов на примере системы «гидробионт -паразит».
Разработана модель категоризации загрязненных территорий в зависимости от способов использования и уровней риска с учетом множественных путей облучения человека.
Теоретическая значимость и научная новизна исследований. Динамическая модель, разработанная в диссертации, может служить теоретической основой для реконструкции и прогнозирования последствий аварийного или хронического поступления радионуклидов в водные объекты, оценки воздействия радиоактивного загрязнения водных экосистем для биоты и человека. Модель имеет комплексный характер, что позволяет оценивать последствия загрязнения окружающей среды с известным источником загрязнения по интегральным характеристикам дозы и эффектов облучения. Проверка модели проведена для ряда реальных объектов, подвергшихся загрязнению (водоем-охладитель Чернобыльской АЭС, озера Брянской обл. и Южного Урала, р. Енисей), ее работоспособность подтверждена путем прямого сравнения модельных расчетов с независимыми данными наблюдений.
Впервые сформулирована модель, теоретически объясняющая механизмы
1 ^7
возникновения размерного эффекта в накоплении Cs водными организмами и описывающая наблюдавшуюся в водоемах динамику этого явления. Показано, что
1 ^7
скорость биологического полувыведения Cs пропорциональна скорости метаболизма рыб. Определено численное значение коэффициента пропорциональности между этими характеристиками. На основе анализа большого количества данных наблюдений получена новая статистическая зависимость между коэффициентом накопления Sr в организме рыб разных трофических уровней и концентрацией Са в воде, оценен коэффициент дискриминации Sr относительно Са для рыб. Разработан подход к оценке биологического переноса радионуклидов мигрирующими видами рыб в крупной, неоднородно загрязненной речной системе (р. Енисей).
Сформулирована оригинальная концепция выбора референтных (представительных) видов биоты для проведения оценок радиоэкологического состояния экосистем. Выполнена сравнительная оценка последствий радиоактивного загрязнения ряда водных объектов (водоем-охладитель Чернобыльской АЭС, озеро Кожановское (Брянская обл.), озера Урускуль и Бердениш (Южный Урал), реки Теча и Енисей) для водной биоты, выявлены наиболее уязвимые в радиоэкологическом отношении компоненты экосистем. Предложен модельный подход, позволяющий рассчитывать динамику мощности дозы облучения гидробионтов с учетом особенностей их экологии и морфометрических характеристик.
На основе анализа базы данных по эффектам хроническом облучения для гидробионтов получена количественная шкала «мощность дозы - эффекты» для организмов северных и умеренных климатических зон, определены уровни хронического облучения, при превышении которых могут быть обнаружены определенные типы эффектов (снижение выживаемости, ухудшение репродуктивной способности и рост заболеваемости гидробионтов). Построена новая динамическая модель, позволяющая реконструировать и прогнозировать эффекты хронического облучения для икры рыб и изолированной популяции
гидробионтов, а также оценивать совместное действие на популяцию ионизирующего излучения и заражения паразитом. Показано, что при разработке нормативов допустимых уровней облучения, обеспечивающих защищенность биоты от ионизирующей радиации, необходимо учитывать экологические взаимодействия между видами в природных экосистемах.
Предложена модель категоризации загрязненных радионуклидами территорий в зависимости от способов их использования, с учетом множественных путей облучения (внешнего облучения, вдыхания, потребления сельскохозяйственных и природных продуктов) и пяти сценариев использования территории, каждому из которых соответствуют свой набор путей облучения человека, включая свободное использование территории, ограничения на производство сельскохозяйственных продуктов, проживание в городской застройке без хозяйственного использования земли, индустриальное и рекреационное использование территории с временным нахождением на ней человека.
Практическая значимость результатов исследований. Результаты работы нашли практическое применение при решении актуальных задач реконструкции и прогноза радиоактивного загрязнения биоты в водных объектах, подвергшихся радиационному воздействию в результате аварийного или хронического поступления радионуклидов. На основе данных мониторинга модель дает возможность рассчитывать динамику загрязнения гидробионтов, выполнять оценки дозовых нагрузок на биоту и человека.
Предложенная в работе эмпирическая зависимость коэффициента накопления Sr в рыбе в зависимости от концентрации Са в воде позволяет значительно (более чем в 50 раз) сократить неопределенность оценок загрязнения рыб этим радионуклидом. Динамическая модель дает возможность оценивать уровни загрязнения рыб долгоживущими радионуклидами в течение первых нескольких лет после разового загрязнения водоемов и водотоков, а также при неравномерном поступлении радионуклидов в водные объекты, когда неприемлем подход, использующий статические (равновесные) значения коэффициентов накопления.
Построенная в работе на основе обобщения большого количества данных наблюдений шкала «доза - эффект» представляет как научный, так и практический интерес. Она может быть использована при оценках последствий радиоактивного загрязнения водных экосистем и при разработке нормативов, регламентирующих уровни облучения биоты, что является в настоящее время весьма актуальной задачей.
Предложенные правила категоризации загрязненных территорий могут найти применение при установлении допустимых уровней содержания техногенных радионуклидов в почве в зависимости от целей использования территорий, включая отсутствие ограничений на использование земель за пределами санитарно-защитной зоны радиационно-опасных объектов.
Положения, выносимые на защиту: 1. Комплексная модель оценки последствий радиоактивного загрязнения водных объектов для биологических организмов, включая количественное описание удельных активностей радионуклидов в компонентах экосистем, расчет дозовых нагрузок и возможных радиоэкологических эффектов.
-
Динамическая модель накопления радионуклидов гидробионтами в зависимости от их эколого-физиологических характеристик и факторов окружающей среды;
-
Модель, теоретически объясняющая динамику возникновения и развития размерного эффекта и эффекта трофических уровней в накоплении Cs гидробионтами.
4. Эмпирическая зависимость между равновесным коэффициентом накопления
Sr в рыбе и концентрацией Са в воде, полученная на основе статистической
обработки большого массива данных.
-
Результаты параметризации и тестирования модели, определения параметров динамики накопления и самоочищения гидробионтов на основе данных радиоэкологических наблюдений на водоемах, подвергшихся аварийному или хроническому загрязнению.
-
Модель оценки динамики мощностей доз внутреннего и внешнего облучения гидробионтов с учетом их экологических характеристик; результаты сравнительной оценки последствий загрязнения ряда водных объектов (водоем-охладитель Чернобыльской АЭС, озера Урускуль (Южный Урал), реки Теча и Енисей) для водных организмов на основе интегральной характеристики радиационного воздействия - дозы облучения.
-
Количественная шкала «мощность дозы - эффекты» для рыб северных и умеренных климатических зон; модель реконструкции и прогноза эффектов хронического облучения для икры рыб с разным периодом развития в зависимости от мощности дозы облучения.
-
Динамическая модель, позволяющая учитывать совместное действие ионизирующего излучения и экологических факторов на примере популяции рыб.
-
Оценки допустимых уровней содержания радионуклидов в почве для различных сценариев потенциального облучения населения и выбранных способов использования территорий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Обнинском симпозиуме по радиоэкологии (Обнинск, 1996); Международном симпозиуме по ионизирующей радиации «Protection of the Natural Environment» (Стокгольм, 1996); конференции Международного союза радиоэкологии (Мол, Бельгия, 1998); Международной конференции по математической экологии (Алкала-де-Энарес, Испания, 1998); конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 1999); IV конференции Европейского союза по теоретической и математической биологии (ESMTB) (Амстердам, 1999); Международной конференции «Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях» (Москва, 2000); Международной конференции по радиационному наследию XX века "RADLEG-2000" (Москва, 2000); конференции молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения Н.В. Тимофеева-Ресовского (Обнинск, 2000); Международной конференции по радиоэкологии (Экс-ан-Прованс, Франция, 2001); IV съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2001); V Международной конференции «Environmental Radioactivity in the Arctic and Antarctic» (Санкт-Петербург, 2002); V конференции Европейского союза по теоретической и математической биологии (ESMTB) (Милан, 2002); 13-й ежегодной конференции Ядерного Общества России
«Экологическая безопасность, техногенные риски и устойчивое развитие» (Москва, 2002); Международной конференции по радиоактивности окружающей среды (Монако, 2002); Международной конференции МАГАТЭ по защите окружающей среды от эффектов ионизирующей радиации (Стокгольм, 2003); Международной конференции по радиоэкологии (Экс-ан-Прованс, Франция, 2004); Международной конференции МАГАТЭ «Isotopes in Environmental Studies. Aquatic Forum» (Монако, 2004); 7-й Международной конференции Общества по радиационной защите (SRP) (Кардифф, Великобритания, 2005); II Международной конференции по радиоактивности окружающей среды (Ницца, 2005); Международной конференции «Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях» (Москва, 2005); V Съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2006); Международной конференции МАГАТЭ по радиоактивности окружающей среды «From Measurements and Assessments to Regulation» (Вена, 2007), Международной конференции по загрязнению почв (ConSoil, Милан, 2008), а также на научных семинарах Лаборатории возобновляемых источников энергии Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (1996-2006), Института радиационных исследований GRS (Кёльн, 2000); семинаре МНТП, в Институте радиационной защиты (GSF) (Мюнхен, 2006), секциях НТС ГУ «НПО «Тайфун» (2000-2007). В 1996 - 2007 гг. автор принимал активное участие в международных программах МАГАТЭ по валидации радиоэкологических моделей: BIOMOVS II (1996), BIOMASS (1996 - 2000), EMRAS (2003 - 2007).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 82 печатных работах, включая 32 статьи в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, а также публикации в сборниках трудов и тезисов докладов на российских и зарубежных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 354 страницах, включая 47 рисунков и 48 таблиц. Список литературы включает 384 источника, из них 194 на иностранном языке.
Похожие диссертации на Динамическое моделирование переноса радионуклидов в гидробиоценозах и оценка последствий радиоактивного загрязнения для биоты и человека
