Введение к работе
Актуальность проблемы
Атмосферные испытания ядерного оружия в середине XX века привели к глобальному загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды (Израэль, 1974; Болтнева и др., 1977). В результате используемых технологий на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) бывшего СССР были загрязнены пойменные ландшафты рек Теча, Томь, Енисей. Авария на ЧАЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г., по масштабам радиоактивного загрязнения окружающей среды превзошла все предыдущие радиационные инциденты.
Мониторинговые исследования природной среды становятся в последние десятилетия важным средством по оценке ее изменения. При этом большое значение приобретает не только определение уровня накопления химических элементов в различных природных объектах и выяснение характера их распространения по площади, но и динамика накопления этих элементов в течение определенного промежутка времени. Особую роль играют стратифицированные образования (торфяники, донные отложения, многолетние льды, годичные кольца деревьев и т.д.). Они представляют огромный интерес при решении проблем, связанных с глобальным изменением климата и химического состава окружающей среды (В.М. Гавшин и др., 2003 и др.). Особенно важно определять не просто общее содержание р.н. и динамику их изменения, но и физико-химические формы радионуклидов., так как именно они определяют их миграционное поведение, биодоступность, а также возможность рекультивации наиболее загрязненных территорий.
В Красноярском крае источником радиоактивного загрязнения окружающей среды долгое время являлось ФГУП «Горно-химический комбинат» (ГХК), расположенное в г. Железногорске на правом берегу р. Енисей, в 50 км ниже по течению от г. Красноярска. С 1958 по 1992 гг. ГХК использовал речную воду для охлаждения прямоточных реакторов серии АД и АДЭ-1, на которых нарабатывался оружейный плутоний. В этот период в сбросовых водах отмечаются в значимых количествах техногенные радионуклиды, которые образовались в результате активации нейтронами примесей (твердых взвесей и растворенных веществ), содержащихся в речной воде (Вакуловский и др., 2008; Кузнецов и др., 1994 и др.). Также отмечался повышенный уровень содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях и пойменных почвах (Болсуновский и др., 2000; Кузнецов и др., 1999, 2000; Bolsunovsky, Bondareva,
2007). При проведении аэрогаммосъемки в 1972-1973 гг. оконтурена самая крупная в СССР 1100-километровая полоса загрязнения поймы р. Енисей
1 ~М 1 ~М
изотопом Cs. Помимо Cs основными радионуклидами, загрязняющими почвы и донные отложения, являются 60Со и 152154Еи. После вывода из эксплуатации двух прямоточных реакторов АД и АДЭ-1 (1992 г.) и остановки реактора серии АДЭ-2 (2010 г.) поступление техногенных радионуклидов в р. Енисей было связано в основном со сбросом очищенных траловых вод радиохимического завода.
Особое внимание при изучении поведения техногенных радионуклидов необходимо уделять вторичным загрязнениям, которые характерны для речных систем, зарегулированных гидросооружениями. Плановые и внеплановые сбросы больших объемов воды значительно меняют структуру донных отложений русла реки как за счет интенсивных смывов с береговых участков, так и за счет переноса донных наносов на другие места, способствуя их интенсивному скоплению в заливах и заводях. Примером этому может служить ситуация, сложившаяся на о. Городском, в районе г. Енисейска (300 км ниже ГХК), где удельная активность Cs в некоторых местах достигает 16 300 Бк/кг, а мощность экспозиционной дозы (МЭД) - 270 мкР/ч (Сухоруков и др., 2004; Дегерменджи и др., 2002). По существующим нормативам донные отложения и пойменные почвы на этом участке были отнесены к твердым радиоактивным отходам.
Актуальность темы обусловлена тем, что для прогноза пространственно распространения радиоактивного загрязнения речных систем необходимо изучение поведения техногенных радионуклидов в поверхностных водах и понимание закономерностей при взаимодействии радионуклидов с компонентами экосистемы.
В диссертацию включены работы, проведенные автором в ФГАОУ ВПО «СФУ», а также работы, выполненные ранее в лаборатории радиоэкологии Института биофизики СО РАН.
Цель и задачи работы.
Целью работы являлось установить основные механизмы и закономерности взаимодействия Н, Со, Cs, Eu, Am и др. с компонентами экосистемы р. Енисей (вода - донные отложения - биота) для прогнозирования
пространственного распространения упомянутых радионуклидов и процессов самоочищения поймы речной системы.
Основными задачами были:
разработать методические подходы на основе имеющихся (например, методика последовательного химического фракционирования), адаптированных (например, альфа-трековый анализ) для конкретных систем и новых методик;
выявить закономерности поведения техногенных радионуклидов в водном потоке р. Енисей и основные процессы взаимодействия радионуклидов с взвешенным веществом р. Енисей и рассчитать перенос и распространение техногенных радионуклидов в водном потоке от места сброса в пойме р. Енисей;
- установить основные закономерности взаимодействия техногенных
радионуклидов с донными отложениями р. Енисей на отдельных участках
поймы р. Енисей и определить зависимости миграционной способности
радионуклидов от глубины залегания грунта и удаленности его от места
нахождения ГХК;
- выявить особенности распределения и определить механизмы накопления
3Н, 99Тс, 241Ат, изотопов U наиболее распространенным видом водного
растения р. Енисей - Elodea Canadensis;
- установить закономерности взаимодействия трития с компонентами
экосистемы р. Енисей (водные растения, донные отложения и пойменные
почвы, некоторые виды рыб), выявить вклад аэрозольного переноса трития на
общее радиационное загрязнение территории Красноярского края, определить
формы нахождения трития, выявить механизмы трансформации трития из НТО
в ОСТ и уровни воздействия трития на физиологические функции растения на
примере погруженного макрофита Elodea Canadensis.
Научная новизна работы
В ходе работы:
- предложена и усовершенствована методология исследования пресноводной
экосистемы, учитывающая характеристику условий окружающей среды и
включающая систему методик пробоотбора, предварительной подготовки проб
к анализу, разработку методик, дополняющих известные методики
концентрирования элементов, изучения механизмов: взаимодействия радионуклидов с компонентами экосистемы, накопления техногенных радионуклидов биотой и донными отложениями и др.;
впервые проведено исследование распределения радионуклидов экосистемы р. Енисей, включая пресную воду - взвешенное вещество - донные отложения - биота;
установлены закономерности взаимодействия техногенных радионуклидов с речной водой, взвешенным веществом, донными осадками и биотой р. Енисей;
на основании полученных в работе данных впервые проведены расчеты абиогенного переноса и распространения техногенных радионуклидов в потоке р. Енисей на участке 15 км от места сброса с последующей аппроксимацией на участок среднего течения р. Енисей;
- впервые выявлены закономерности распределения техногенных
радионуклидов по миграционной способности в зависимости от глубины
залегания слоя и удаленности от места сброса;
241 а
впервые установлено локальное распределение Am во внутриклеточном пространстве водного растения Elodea Canadensis и установлены механизмы накопления 99Тс и U в нем;
впервые создана наиболее полная база данных по содержанию трития в воде, биоте, донных отложениях р. Енисей и в аэрозольных выпадениях в ближней зоне влияния ГХК и на расстоянии 1760 км от места основного сброса, а также в одном из притоков р. Енисей - р. Большая Тель с 2001 по 2012 гг.;
впервые определена доля необменного трития в грунтах, характерных для поймы реки Енисей и выявлена зависимость от состава и геохимических свойств грунтов;
установлена доля трития, связанного в органические соединения биомассы растений, предложены механизмы трансформации трития из НТО в ОСТ на примере погруженного водного растения Elodea Canadensis и выявлен уровень воздействия трития на физиологические функции водного растения Elodea Canadensis.
Личный вклад.
В ходе всех этапов исследования, проведенных совместно с коллегами, вклад автора заключался в формировании общей методической базы и адаптации имеющихся методик для выполнения поставленных задач и формирования направленности конкретных работ, получении экспериментальных данных и их интерпретации применительно ко всем этапам исследования.
Автором усовершенствована и применена методика концентрирования антропогенных радионуклидов в пробах воды р. Енисей, которая использована в создании нового сорбционного материала для предварительного концентрирования радионуклидов в пробах воды различного генезиса (Патент № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г.). Автором разработана установка, позволяющая выделять жидкости из биологических объектов (поровую воду и жидкость, связанную с биологическими тканями), которые при выделении практически не теряют своих физико-химических свойств. Это позволило впервые получить данные по содержанию трития в донных отложениях, водных растениях и рыбах. Автором разработана методология проведения исследования и проведены все работы по изучению поведения трития в экосистеме р. Енисей.
Практическая значимость работы
Результаты работы использованы при разработке проекта Министерства экономического развития Российской Федерации государственной программы «Чистая вода» в разделе «Создание концепции программы: «Обеспечение населения края, проживающего в бассейне Среднего Енисея, чистой питьевой водой» на 2010-2012 годы и до 2020 года» от 9 июня 2010 г.
Данные, полученные в результате проведенного комплексного анализа экосистемы р. Енисей, положены в основу создания пространственно-временных сценариев по распространению радионуклидов и процессов самоочищения поймы в пресноводных речных системах, течение которых зарегулировано гидростанциями (Государственный контракт Министерства образования и науки РФ «Обоснование экологических принципов формирования и функционирования региональной системы мониторинга окружающей среды» № 16.512.11.2131 от 25 февраля 2011 г.), а также в базу данных по радиационно-химическому состоянию поймы р. Енисей.
Используемая в работе методика концентрирования техногенных радионуклидов легла в основу создания нового комплекса для предварительной
подготовки проб воды различного генезиса - концентрирования радионуклидов. Патент № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г.
Разработано устройство по выделению жидкостей различной природы из геологических и биологических объектов. Устройство позволяет разделить жидкие среды на свободные поровые и на необменные жидкости практически без изменения их структуры, так как температура отгонки ниже температуры кипения воды.
Исследования вносят существенный вклад в формирование общей региональной концепции радиационно-химического состояния р. Енисей на современном этапе и перспектив по реабилитации загрязненных территорий.
Положения, выносимые на защиту:
"X \(Л 1 "37 1 ^0 0/11
-
Распределение техногенных радионуклидов Н, Со, Cs, Eu, Am и др. в системе р. Енисей, включая воду, взвешенное вещество, донные отложения и биоту в ближней зоне влияния ГХК и на всем участке среднего течения реки связано с химико-минералогическим составом взвешенного вещества и донных отложений, морфологическими параметрами биологических объектов и физико-химическими свойствами радионуклидов (окислительно-восстановительные свойства, период полураспада и др.).
-
Обоснование и математические расчеты абиогенного переноса техногенных радионуклидов на участке 15 км от места сброса и на среднем течении р. Енисей. Основные параметры для переноса и равномерного распределения радионуклидов по руслу реки, которое устанавливается только после 100 км ниже по течению от места сброса.
0/11 1 ^О \(Л 1 "37 1 ^0
3. Ряд убыли миграционной способности: Am > Eu > Со > Cs ( Eu >
\(Л 1 "37 1 ^0 1 "37
Со > Cs, Eu > Cs) - сохраняется на всех исследуемых участках и указывает на зависимость взаимодействия техногенных радионуклидов только от однородности донных отложений и физико-химических свойств исследуемых радионуклидов.
4. Механизмы взаимодействия для 1J"Eu, ^Am с донными отложениями
определяется преимущественно ассоциацией с органическим веществом
донных отложений и с пленками оксигидроскидов Fe, Мп, тогда как для Cs
главным образом в результате изоморфного включения в кристаллическую
решетку минеральных частиц и ионный обмен с катионами, находящимися на
поверхности частиц донных отложений, для 60Со - образование карбонатов,
ассоциация с органическим веществом и пленками оксигидроскидов Fe, Мп.
-
Особенности микрораспределения техногенного радионуклида Am в структурах водного растения Elodea Canadensis определяются: возрастом растений, видом и внутренним составом клеток, морфологией строения растения.
-
Накопление U и 99Тс биомассой растения происходит: на поверхности растения - в результате ионного обмена с соединениями, осажденными на поверхности растений из водного потока, с последующей сорбцией этим осадком (преимущественно в результате физической сорбции), во внутриклеточном пространстве - в результате диффузии и градиента концентрации.
-
Распространение трития в экосистеме р. Енисей зависит от гидрологических параметров водных потоков (скорость течения, водность источника, температура воды), геолого-минералогических свойств донных отложений и пойменных почв (наличие глинистых минералов и органических веществ), морфологических особенностей (возраст, преимущественные источники поступления питательных веществ - водный поток, донные отложения) и места обитания биологических объектов (вблизи береговой линии, в основном русле, на берегу).
-
Накопление трития гидробионтами, так же как перераспределение трития из НТО в ОСТ, не зависит от фотосинтеза, а зависит от температуры водного потока и освещенности. Негативное действие трития на клетки гидробионтов связано с угнетением физиологических функций клеток и разрушением клеточных мембран.
Научные программы, е рамках которых были получены результаты диссертации
Диссертационная работа основана на результатах многолетних исследований (2000-2011 гг.), выполненных автором в рамках Интеграционных проектов СО РАН (№ 30, № 96), РФФИ 99-04-96012-р99енисей, РФФИ 03-05-64437-а, РФФИ 06-04-48124-а, РФФИ 07-04-96813-р_енисей_а, РФФИ «Сибирь» 09-05-98002, в которых автор был ответственным исполнителем; ККФН (Красноярский край) - 2004, РФФИ 08-05-00137 и Государственного контракта Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»: «Исследование мониторинга состояния окружающей среды или биоразнообразия», № 16.512.11.2131, в которых автор являлся научным руководителем.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: The 5th international conference on Environmental radioactivity in the Arctic and Antarctic (16-20 June, 2002, St.Petersburg), Четвертая Российская конференция «Радиохимия-2003» (20-25 октября 2003 г., Озерск, <ПО «Маяк»>), Environmental Physics Conference (24-28 Feb., 2004, Minya, Egypt), II Международный симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (25-30 сентября 2005 г., Краснодар, Россия), Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management, Ulan-Ude (Russia) (Ulan Bator, Mongolia, September 1-8, 2004), Asia-Pacific Symposium on Radiochemistry (October, 2005, Beijing, China), International Congress on Analytical Science (June 25-30, 2006, Moscow, Russia), Пятая Российская конференция «Радиохимия-2006» (23-27 октября 2006 г., Дубна, Россия), Шестая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (ICNRP-07, 4-7 июня 2007 г., Алматы, Республика Казахстан), Пятая международная конференция «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (15-18 октября 2008 г., Семипалатинск, Казахстан), International Conference on Radioecology and Environmental radioactivity (15-20 June, 2008, in Bergen, Norway), Конференция с международным участием Всероссийского масс-спектрометрического общества (2009 г, Москва, Россия), 12th EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment (14-17 June, 2009, Stockholm, Sweden), «Радиохимия-2009» (Москва, Россия, 12-17 октября 2009 г), The 9th International Conference on Tritium Science and Technology (24-29 October, 2010, Nara, Japan), IV Международная научно-практическая конференция «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и перспективы развития» (25-27 августа 2010 г., Курчатов, Республика Казахстан), International Conference on the Status and Future of the World's Large River (11-14 April, Austria Center Vienna), XI Научно-практическая конференция «Дни науки - 2011: Ядерно-промышленный комплекс Урала» (27-28 апреля 2011 г., 25-26 апреля 2012 г.), «Радиоэкология XXI века», 14-16 мая 2012 г., 1-st workshop «OBT (organically bound tritium) and its analysis» (Belaruc les Bien, France, 21-24 May, 2012); «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», Красноярск, 3-8 октября 2012; Шестая Российская конференция «Радиохимия 2012», Димитровград, 15-19 октября 2012.
Работа была представлена на семинаре в Радиевом институте им. Хлопина, г. Санкт-Петербург, на заседании ученого совета Южно-Уральского Института
биофизики УрО РАН, г. Озерск Челябинской области, на семинаре по радиохимии в ГЕОХИ им. Вернадского РАН, г. Москва.
Публикации
По результатам работы опубликовано 48 статей, из них 20 - в журналах, входящих в список ВАК РФ, 19 - в зарубежных реферируемых журналах по теме диссертации, а также 9 - в региональных журналах. По результатам работы были опубликованы тезисы в материалах российских и зарубежных конференций и симпозиумов. Общее количества публикаций - 82. Два патента: № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г. и № 2311462 от 27 ноября 2007 г.
Структура и объем диссертации
