119 особенности формирования дозы облучения пресноводных

Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека
Особенности формирования дозы облучения пресноводных
рыб на эмбриональной стадии развития
Е.Н. Волкова, В.В. Беляев, А.А. Пархоменко, С.П. Пришляк
Институт гидробиологии НАН Украины, Киев, Украина, volkovaen@rambler.ru; belyaevvv@rambler.ru
Characteristic of the radiation dose formation of freshwater
fish in the embryonic stage of the development
E.H. Volkova, V.V. Belyaev, A.A. Parhomenko, S.P. Prishlyak
Institute of hydrobiology of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
Abstract. The peculiarities of the radiation dose formation of freshwater fish on the embryonic stage of the development were studied. β, γ-radiation of 137Cs and β-radiation 90Sr concentrated in water, sediments and higher aquatic
plants, β-radiation incorporated radionuclides were taken into account. The calculations were performed for embryos,
that are developed on different substrates and at different temperatures. Dose rate fish embryos of the Kiev reservoir
is from 183 to 8 000 nGrey/day.
В естественных водоемах доза облучения гидробионтов формируется в результате излучения радионуклидов,
сосредоточенных в абиотических и биотических компонентах экосистемы, однако до настоящего времени не разработаны методологические подходы, позволяющие при
расчетах учесть все возможные источники, составляющие
суммарную дозу облучения организмов. Особенно это актуально для подвижных форм гидробионтов, в частности
для рыб, которым характерны изменения отношений с
окружающей средой на разных стадиях онтогенеза. Необходимо отметить важность определения особенностей
формирования дозовых нагрузок на рыб на ранних стадиях
онтогенеза, поскольку в течение именно этих периодов организмы наиболее чувствительны к воздействию ионизирующего излучения. Однако в работах, посвященных методам оценки дозовых нагрузок на рыб [6, 8 , 9], рассмотрены
далеко не все пути формирования облучения организмов
на эмбриональной стадии развития. Поэтому целью нашей
работы была разработка подходов к оценке дозовых нагрузок на организм пресноводных рыб в течение эмбриональной стадии развития.
Материалы и методы исследований
В работе использованы данные, полученные в 2010–
2012 гг., на территории Припятского отрога Киевского водохранилища. Содержание 90Sr и 137Cs в водных массах,
донных отложениях, высших водных растениях и рыбах
определяли стандартными гамма-спектрометрическими
и радиохимическими методами [4]. Для расчета дозовых
нагрузок на икру рыб содержание радионуклидов приводили в Бк/кг естественной влажности. Выражение «содержание радионуклидов в вегетирующей мягкой растительности» означает усредненные показатели активности 90Sr
и 137Cs в нескольких видах погруженных высших водных
растений (рдесте гребенчатом – Potamogeton pectinatus
L.; рдесте пронзеннолистом – P. Perfoliatus L., урути колосистой – Myriophyllum spicatum L., элодее канадской
– Elodea canadensis Michx., роголистнике погруженном –
Ceratophyllum demersum L.). Выражение «содержание радионуклидов в мирных рыбах» означает усредненную ак-
тивность 90Sr и 137Cs в плотве обыкновенной – Rutilus rutilus
L.; лине озерном – Tinca tinca L.; густере – Bliссa bjoerkna
L.; леще обыкновенном – Abramis brama L.; карасе серебряном – Сarassius auratus gibelio (Bloch)., красноперке –
Scardinius erythrophthalmus L.;., чехони – Pelecus cultratus
L. Выражение «содержание радионуклидов в хищных рыбах» означает усредненные показатели для щуки – Esox
lucius L.; судака обыкновенного – Stizostedion lucioperca L.;
окуня речного – Perca fluviatilis fluviatilis L.; сома обыкновенного – Silurus glanis L.; жереха – Aspius aspius L.; голавля – Leuciscus cephalus L. Принадлежность рыб к экологическим группам по характеру размножения и развития,
особенности поведения рыб и диаметр икринок приводили
по литературным данным [1]. При разработке методики
расчета дозовых нагрузок на эмбрионов рыб использовали
справочные данные [2, 5]. Для расчета дозовых нагрузок
на развивающуюся икру от внешнего гамма-излучения в
приближении бесконечной геометрии использовались дозовые коэффициенты по [7].
Результаты исследований и их обсуждение
В работе рассмотрены особенности формирования
дозы облучения эмбрионов рыб, относящихся по характеру размножения и развития к пелагофильной, литофильной, псалмофильной и фитофильной группам [1]. Выметанная икра пелагофильных рыб находится в водных массах в
плавучем состоянии, литофильных и псалмофильных – на
песчаном и каменистом дне мелководий, фитофильных
– на вегетирующей и отмершей растительности. Не все
рыбы могут быть строго отнесены к той или иной экологической группе. Есть виды, сочетающие свойства литофильных и фитофильных рыб или относящиеся к субстрату индифферентно.
При расчетах дозы облучения икры от радионуклидов,
сосредоточенных в водных массах, приняли, что поглощенная энергия равна дозе, формирующейся в водных массах
за счет β- и γ-излучения. Расчеты проводили по формуле:
D = ΣCw(i)Kd(i)(β,γ)t, i = 1, k (1)
где Cw(i) – концентрация; i – радионуклида в водных массах,
Бк/л; Kd(i)(β,γ) – дозовый коэффициент i-того радионуклида (β,γ-
119
Материалы IV Международной конференции, г. Томск, 4–8 июня 2013 г.
излучение), (Гр/сут)/(Бк/кг); k – количество β,γ-излучающих радионуклидов.
При расчетах дозы облучения эмбрионов рыб от радионуклидов, сосредоточенных в субстрате, необходимо
учитывать особенности распространения β,γ-излучения
в разных средах (воде, донных отложениях, растениях и
икринках). Поэтому сначала рассмотрим особенности формирования дозы γ-излучением субстрата.
Для случая, когда послойную стратификацию радионуклидного загрязнения дна можно представить в приближении бесконечной геометрии, мощность дозы γ-излучения
донных отложений (Pγi, Гр/сут) рассчитывается по формуле:
Pγi = gk ΣCsed(i) Kd(i)(γ), i = 1, n (2)
где gk – геометрический фактор, на поверхности донных отложений равен 0,5; Csed(i) – концентрация i–го радионуклида в донных
отложениях, Бк/кг естественной влажности; Kd(i)(γ) – дозовый коэффициент γ-излучения i-го радионуклида, (Гр/сут)/(Бк/кг), n – количество γ-излучающих радионуклидов.
Гамма-составляющую излучения от растений определяли путем расчета активности i–го радионуклида субстрата в объеме воды:
P = ΣCplan(i) Kd(i)(γ), i=1, k (3)
Cplan(i) = Asplan(i) / mwat
где Cplan(i) – объемная активность субстрата Бк/л; Asplan(i) – активность растений на единице площади (эквивалент плотности загрязнения поверхности), Бк/м2; mwat – масса (объем) воды на единице площади нерестилищ, л/м2.
При расчете дозы, создаваемой β-излучением субстрата, учитывали ослабление потока энергии в икринке и
энергию, излучаемую субстратом. При этом рассчитывали
энергию, которая поглощается слоем, равным диаметру
икринки:
Е = E0exp(–µхx) (4)
где: Е – плотность энергии β-частиц на поверхности слоя вещества с толщиной x; Е0 – плотность энергии β-частиц без поглощающего слоя; µх – линейный коэффициент ослабления в веществе.
Растительный субстрат представляли бесконечной поверхностью в двух вариантах: толстой и тонкой поверхностью. В качестве толстой поверхности приняли субстрат,
превышающий толщиной максимальный пробег β-частиц,
тонкой – толщиной меньше этого пробега. Расчет энергии,
излучаемой бета-частицами субстрата, проводили интегрированием энергии, излучаемой бесконечно тонкой поверхностью в пределах от нуля до толщины поверхности
(у). С учетом ослабления потока β-излучения в субстрате
и икринке, а также ее массы, формула для расчета мощности дозы от β-излучения субстрата имеет следующий вид:
Рβi = 0,5 ⋅ 86 400 Amі<Ei> ρу / µyi ×
× [1 – exp(–µyiу)] ⋅ [1 – exp(–µxix)] ⋅ (ρxх) – 1 (5)
где 86 400 – коэффициент, учитывающий количество секунд в сутках; Рβi – мощность дозы, Гр/сут; Amі – концентрация i-го радионуклида в субстрате, Бк/кг естественной влажности; <Ei> – средняя
энергия β-излучения i-го радионуклида, Дж/распад; ρу(ρx) – плотность субстрата (икры), кг/см3; myi(mxi) – коэффициент линейного
120
ослабления β-излучения i-го радионуклида в субстрате (икре),
см–1; y – толщина листа (для донных отложений величина у стремится к бесконечности, т.е. рассматривается вариант «толстой»
поверхности), см; x – диаметр икринки, см.
Доза внутреннего облучения эмбрионов рыб (Pint) рассчитывается по формуле:
Pint = ΣCf(i)Kd(i)(β)f(i)(β)(x), i = 1, k (6)
где Cf(i) – концентрация i – радионуклида в икре рыбы, Бк/кг;
Kd(i)(β) – дозовый коэффициент i-го радионуклида (β-излучение),
(Гр/сут) / (Бк/кг); k – количество радионуклидов, f(i)(β)(x) – коэффициент, учитывающий долю энергии β-излучения i-го радионуклида, реализующуюся в икринке диаметром х.
Коэффициент f(i)(β)(x) рассчитывали, исходя из консервативного предположения о том, что вся активность i-го
радионуклида сосредоточена в центре икринки.
На основании описанных выше подходов мы определили мощность сформированной излучением 90Sr и 137Cs
дозы внешнего и внутреннего облучения эмбрионов рыб
на нерестилищах Киевского водохранилища. При расчетах было принято: 1) пелагическая икра находится вне
зоны влияния донных отложений; 2) икра щуки, жереха и
голавля располагается на дне; 3) икра леща, густеры, синца и плотвы находится на расстоянии 20 см от дна; 4) икра
линя, красноперки и карася – на расстоянии 50 см от дна; 5)
икра сома и судака находится в гнездах из отмершей растительности, расположенных на дне; 6) удельное содержание радионуклидов в грунте на местах нереста сома и
судака соответствует радиоактивности заиленных песков,
остальных видов – промытых песков; 7) вертикальная
стратификация 137Cs в донных отложениях мест нереста
позволяет проводить расчет дозы γ-излучения в предположении «бесконечной» геометрии; 8) удельная активность
радионуклидов оплодотворенной икры рыб находится на
уровне, зарегистрированном в гонадах и мышечных тканях
взрослых особей. Принятые нами условия расположения
икры фитофильных видов основаны на том, что рыбы мечут икру при разной температуре воды и, соответственно,
при разном уровне развития высших водных растений.
Из формулы (5) следует, что доза облучения эмбрионов зависит от толщины субстрата. При расчетах мы исходили из того, что толщина листовых пластинок погруженных растений составляет 0,05–0,2 мм (в среднем 0,1 мм)
[3], отмерших стеблей рогоза и тростника – более 8 мм.
Максимальный пробег β-частиц 90Sr + 90Y составляет около 10 мм, 137Cs – около 1 мм и, исходя из этого, толщину
субстрата, на котором расположена икра, отождествляли с
тонкой или толстой поверхностью.
Мы объединили исследованные виды рыб в несколько
групп, характеризующихся схожими условиями облучения
на эмбриональной стадии развития. Группа I – чехонь, эмбрионы развиваются в водных массах, диаметр икринок 6
мм; II – красноперка, карась, линь – развитие эмбрионов на
тонкой поверхности, при gk = 0,1, диаметр икринок 1,0–1,5
мм; III – лещ, густера, плотва, синец, окунь – развитие эмбрионов на тонкой поверхности, gk = 0,33, диаметр икринок
1,4–1,8 мм; IV – щука, жерех, голавль – развитие эмбрионов на толстой поверхности (песок), gk = 0,5, диаметр
Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека
икринок 2,0–2,6 мм; V – судак, сом – развитие
эмбрионов на толстой поверхности (песок заиленный + отмершие растения), gk = 0,5, диаметр
икринок 1,5–3,0 мм.
На период исследований концентрация 90Sr
в водных массах верхней части Киевского водохранилища составляла 150, 137Cs – 50 Бк/м3, содержание в песке нерестилищ – 50 и 500 Бк/кг,
в песке заиленном – 100 и 2 000 Бк/кг, соответственно. Удельная активность 90Sr и 137Cs в мягкой вегетирующей растительности составляла
1,4 и 50, в отмершей растительности – 1,8 и 50 Рис. 1. Мощность дозы облучения эмбрионов рыб на нерестилищах Киевского водохранилища, I – чехонь; II – красноперка, карась, линь; III
Бк/кг, соответственно. Активность 90Sr в гонадах
– лещ, густера, плотва, синец, окунь; IV – щука, голавль, жерех; V
и других мягких тканях мирных и хищных рыб в
– сом, судак
среднем составляла 1 Бк/кг, 137Cs – 15 и 50 Бк/кг.
Таким образом, были обозначены оса мощность суммарной дозы обучения эмбрионов значиновные параметры, необходимые для
определения суммарной мощности дозы внешне- тельно выше, чем у представителей первых двух групп.
го и внутреннего облучения эмбрионов по формулам Еще выше мощность дозы облучения эмбрионов IV-ой
(1)–(6). Расчеты показали, что на нерестилищах При- группы, частично или полностью выметывающих икру на
пятского отрога Киевского водохранилища развиваю- промытые пески. Представители V-й группы мечут икру в
щаяся икра облучается с мощностью от 183 до 8 000 гнезда, построенные на дне из отмершей растительности.
При этом, как правило, гнезда сома и судака расположены
нГр/сут (рис. 1).
90
137
Расчеты показали, что доза облучения эмбрионов пред- на заиленных участках дна. Содержание Sr и Cs в заставителя группы I – чехони сформирована в основном иленных песках значительно выше, чем в промытых, что
инкорпорированными радионуклидами. Вклад излучения приводит к формированию высокой дозы облучения раз90
Sr и 137Cs, сосредоточенных в водных массах, составляет вивающихся эмбрионов этих видов.
Проведенные исследования показывают, что в загрязменее 1 % от суммарной дозы. К представителям группы II
90
ненных
Sr и 137Cs водных экосистемах, а именно к таким
относятся фитофильные виды, нерестящиеся порционно,
при температуре воды 20–26 °С. Нерест этих видов совпа- относится верхняя часть Киевского водохранилища, отдает с периодом активного увеличения биомассы высших носительно благоприятные условия развития эмбрионов
водных растений, т.е. икра может располагаться на значи- складываются для пелагофильных рыб и поздненерестятельном (около 50 см) расстоянии от дна. Однако даже в щихся фитофильных видов. Наиболее высокие дозы обтаком случае радионуклиды, депонированные в донных лучения на нерестилищах Припятского отрога Киевского
отложениях, вносят 73 % в суммарную мощность дозы об- водохранилища формируются в результате воздействия
лучения эмбрионов, 19 % приходится на излучение инкор- на эмбрионов некоторых видов рыб излучения радионупорированных радионуклидов, около 7 % – на излучение клидов, депонированных в заиленных песках.
Разработанный нами подход для расчета мощности
растительного субстрата.
дозы
облучения эмбрионов пресноводных рыб позволяет
Фитофильные виды, отнесенные к группе III, нерестятрассчитать
экологически безопасные уровни содержания
ся при температуре воды от 7 до 20 °С, т.е. в период начарадионуклидов
в донных отложениях нерестилищ. Для
ла вегетации водной растительности. Поэтому эмбрионы
критической
группы
рыб удельная активность 90Sr или 137Cs
этих рыб развиваются на расстоянии около 20 см от донных отложений. Следовательно, их облучение в основном в донных отложения нерестилищ не должна превышать
обусловлено радионуклидами, депонированными в дне. 2 000 или 2 500 Бк/кг, соответственно. Такие условия обеВклад других источников излучения составляет менее 1 %, спечат развитие рыб в зоне, согласно шкале разработанной Г.Г. Поликарповым [10], радиационного благополучия.
Литература
1. Коблицкая А.Ф. Изучение нереста пресноводных рыб. Методическое пособие. – М.: Пищевая промышленность,
1966. – 110 с.
2. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Атомиздат, 1977. – 384 с.
3. Лукина Л.Ф., Смирнова Н.Н. Физиология высших водных растений. – К.: Наук. думка, 1988. – 188 с.
4. Методи гідроекологічних досліджень поверхневих вод / О.М.
Арсан, О.А. Давидов, Т.М. Дьяченко та ін.; за ред. В.Д. Романенка. – НАН України. Ін-т гідробіології. – К.: ЛОГОС, 2006.
– С.408.
5. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике.
К.: Наукова думка, 1975. – 416 с.
6. Питкянен Г.Б., Зайцев Ю.А. Особенности радиационных
условий развития икры пресноводных рыб, относящихся к
различным экологическим группам // Экология. 1977. – №6.
– С.73–75.
7. Савинский А.К., Попов В.И., Кулямин В.А. Спектры ЛПЭ и
коэффициент качества инкорпорированных радионуклидов: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 144 с.
8. Шеханова И.А. Радиоэкология рыб. – М.: Легк. и пищ. пром.,
1983. – 208 с.
121
Материалы IV Международной конференции, г. Томск, 4–8 июня 2013 г.
9. Handbook for assessment of the exposure of biota to ionising
radiation from radionuclides in the environment / Ed. by J. Brown,
P. Strand, Al. Hosseini. – Project within the EC 5th Framework
Programme, Contract № FIGE-CT-2000-00102. – Framework for
Assessment of Environmental Impact, 2003.
10. Polikarpov G.G. Conceptual model of organisms, populations
and ecosystems to all possible dose rates of ionising radiation
in the environment // Radiation Protection Dosimetry. 1998. – 75
№1–4. – P.181–185.
Связь средних характеристик отношений ЕРЭ с глубинным
строением Дальневосточного региона России
Т.В. Володькова
Институт Тектоники и Геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, Хабаровск,
Россия, tat-volodkova@yandex.ru, volodkova@itig.as.khb.ru
Connections of average characteristics of NRE ratios with a
deep structure of the Far Eastern region of Russia
T.V. Volodkova
Yu.A. Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk, Russia
Abstract. The trend of ore types and magmatism is revealed for magmatogenic deposits and magmatic complexes
attributed to volcano-plutonic belts. It displays the distribution of average values of the natural radioactive element
(NRE) ratios. The trend may be explained by the tectonic origin of magmatic ore sources and, also, by their paragenetic
link with enriched HIMU, EM II and EM I mantle reservoirs. The complexes with anomalous NRE ratio values have
been considered that do not adhere to the regional distribution (trend). They are related to the anomalies of the deep
structure.
Большая часть юга Дальневосточного региона России
покрыта крупномасштабными аэрогеофизическими съемками разных лет (аэромагниторазведка, аэрогаммаспектрометрия, частично аэроэлектроразведка). Ретросъемки
обычно не компъютеризованы и не обобщены, не увязаны
между собой и имеют невысокую точность. В настоящее
время на площадях с высокими перспективами НПО «Аэрогеофизика» проводит повторные съемки с использованием аппаратуры 5 поколения. Ретросъемки, в связи с их
массовостью – идеальный объект для научных обобщений,
разработки новых принципов интерпретации, поисков и
прогноза полезных ископаемых. Решение последней задачи особенно существенно, так как прежде интерпретация
аэрогеофизических материалов была направлена чаще
на решение геокартировочных задач. В последние годы
получены важные доказательства мантийного источника
многих металлов и связи рудообразования с глубинным
строением региона; на основе данных сейсмогравитационного, гравитационного моделирования, МТЗ, измерений
теплового поля разработаны новые концепции или плюммодели [1, 3].
При построении глубинных моделей велико значение
аэрогаммаспектрометрии; при решении геокартировочных
задач этот метод считался поверхностным (отражающим
глубины до первых метров и даже долей метра). С новых
позиций он считается геохимическим и глубинным; данные АГСМ-съемки могут коррелироваться с глубинными
моделями региона. При решении таких задач автором используются средние значения отношений естественных
радиоактивных элементов (ЕРЭ), которые могут характеризовать магматические (МК) и структурно-вещественные (СВК) комплексы, а также рудные поля площадью до
122
100–200 км2. Использование этих показателей позволяет
резко снизить требования к точности съемки; характеристики воздушной и наземной съемки 3–5 поколения соизмеримы. С использованием статистической обработки
данных аэрогаммаспектрометрии, автором разработаны
принципы постоянства отношений ЕРЭ, основы моделирования горячих точек (плюм-модели) и получены тренды
рудных типов и магматизма. Эти принципы могут служить
основой современного прогноза, они достаточно подробно
изложены ранее [1, 2, 3].
Тренды рудных типов построены на основе статистических данных по рудным полям магматогенных месторождений в мезозойско-кайнозойских вулкано-плутонических
поясах [2]. Тренды магматизма описывают распределения
средних характеристик магматических комплексов в этих
структурах. Магматогенные месторождения генетически
либо парагенетически связаны с магматическими источниками – не удивительно, что тренды рудных типов и
магматизма совпадают. Использование этих трендов на
региональном этапе исследований позволяет выделять
ареалы (рудые районы, узлы) определенных рудных типов
в структурно-формационных зонах (СФЗ). В дальнейшем
было показано, что тренды магматизма могут характеризовать также осадочно-вулканогенные и многие метаморфические СВК. Существование трендов рудных типов и
магматизма определяется тектонической природой магматических рудных источников (рис. 1).
Среднее значение уран-калиевого отношения МК и
рудных типов играет роль геодинамического критерия: для
образований субдукционного I-этапа характерны значения U/K ≥ 1,50; для коллизионного S – 1,0 ≤ U/K ≤ 1,5; для
анорогенного A(M) – ≤ 1,0. Тренд U/K-критерия в пределах