формы нахождения радионуклидов в почвах некоторых участков

МИНИСТЕРСТВО ИНДУСТРИИ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РК
Республиканское государственное предприятие
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК)
Дочернее государственное предприятие
ИНСТИТУТ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭКОЛОГИИ
(ДГП ИРБЭ РГП НЯЦ РК)
УДК
Кундузбаева Асия Еркебековна
ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВАХ НЕКОТОРЫХ
УЧАСТКОВ ТЕРРИТОРИИ СИП
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР
молодых ученых и специалистов
Национального ядерного центра Респ ублики Казахстан
(прикладные исследования)
Курчатов 2011
2
АВТОР
Кундузбаева Асия Еркебековна
инженер группы физико-химических исследований ,
отдела комплексных исследований экосистем,
Института радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК,
1981 года рождения,
образование:
Высшее (Семипалатинский государственный университет им. Шакарима), 2002 г.,
специальность – химия,
квалификация по диплому –химик,
работает с 2006г в Отделе комплексных исследований экосистем,
общий стаж работы – 5 лет.
магистратура (Семипалатинский государственный университет мени Шакарима),
2004г.,
специальность – химия,
квалификация по диплому – магистр химии,
работает в ИРБЭ НЯЦ РК с 2006 г.,
общий стаж работы 5 лет,
имеет 8публикаций.
3
КУНДУЗБАЕВА АСИЯ ЕРКЕБЕКОВНА
ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВАХ НЕКОТОРЫХ
УЧАСТКОВ ТЕРРИТОРИИ СИП
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и
специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан
Дочернее государственное предприятие «Институт радиационной безопасности и
экологии» Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный
центр Республики Казахстан» (ДГП ИРБЭ РГП НЯЦ РК).
071100, г. Курчатов, ул. Красноармейская 2, тел. (72251) 2-27-20
факс (72271) 2-28-06, E_mail: kunduzbaeva@nnc.kz
РЕФЕРАТ
Работа состоит из 19 страниц, 2 рисунков, 6 таблиц, 25 источников.
Объект исследования: почвы луговых и степных экосистем различных участков
территории СИП.
Актуальность: В условиях повышенной радиационной напряженности возрастает
актуальность проведения различных радиоэкологических исследований, необходимых для
получения более полной информации, позволяющей в том числе прогнозировать
радиационные последствия поступления в окружающую среду тех или иных техногенных
радионуклидов. С точки зрения радиоэкологии наибольший интерес как источник
загрязнения окружающей среды представляют долгоживущие радионуклиды. При
загрязнении почвенного и растительного покровов они способны создавать значительные
дозовые нагрузки на организм человека на протяжении жизни многих поколений.
Следовательно, необходимо иметь детальную информацию о количественных показателях
их миграции по экологическим и пищевым цепочкам. В пределах изучаемого нами
объекта особую важность данное направление приобретает в условиях возможности
организации ведения хозяйственной деятельности на исследуемой территории бывшего
СИП с учетом ее особенностей [5].
Цель работы – выявление закономерностей поведения некоторых радионуклидов в
почвах различных участков территории СИП, отличающихся друг от друга рельефными,
почвенно-климатическими, экологическими условиями, на основе использования
методики последовательного экстрагирования.
Задачи исследований:
- определение содержания форм нахождения радионуклидов методом
последовательного выщелачивания в почвах различных типов экосистем;
- определение параметров физико-химических свойств почв;
- проведение сравнительного анализа полученных данных для различных участков
СИП.
Методика исследований. Исследования форм нахождения радионуклидов
проводилось в почвах различных участков территории СИП, характеризующихся
различными уровнями и характером радиоактивного загрязнения, типом почв, рельефом и
климатическими условиями. Определение форм нахождения радионуклидов проводили с
4
использованием методики последовательного выщелачивания. Исходя из задач
радиоэкологических исследований, изучение форм нахождения радионуклидов
проводилось путем определения форм, влияющих на интенсивность и механизмы
миграции радионуклидов. В зависимости от свойств исследуемого радионуклида, уровня
радиоактивного загрязнения исследуемых почв, использовались различные модификации
методики последовательного экстрагирования. Наиболее полная схема включала
определение следующих форм нахождения радионуклидов в почвах:
- водорастворимые формы выделялись дистиллированной водой H2O;
- обменные формы - с помощью раствора 1М CH3COONH4 (рН=6,8;
- органические формы экстрагировали с использованием раствора 0,1н NaOH.
- необменные (кислоторастворимые) - подвижные и фиксированные формы,
выделяемые растворами 1н HCl и 6н HCl, соответственно.
- прочносвязанные формы, которые не вытесняются другими реагентами,
определяли непосредственно в остатках почвы после экстрагирования.
На всех этапах эксперимента время контакта почвы с раствором экстрагента
составляло12 часов при соотношении почвы и выщелачивающего раствора 1:5. Наряду с
содержанием радионуклидов в почве определяли почвенные показатели.
Исследования осуществлялись путем проведения полевых, камеральных,
лабораторных работ, обработки данных и анализа полученных результатов.
Полевые работы включали: выбор исследовательских площадок, измерение
радиационных параметров (плотности потока β-частиц и мощности эквивалентной дозы
(МЭД)), определение типа почв, отбор проб почвы.
Камеральные работы включали: подготовку проб почвы к анализу, обработку
полученных данных.
Лабораторные анализы включали: определение физико-химических свойств почв,
получение вытяжек методом последовательного экстрагирования, предварительную
подготовку вытяжек к определению содержания радионуклидов, проведение анализов по
определению содержания радионуклидов137Cs, 90Sr, 241Am и 239+240Pu в пробах почв и
вытяжек.
Результаты работ: Проведен сравнительный анализ содержания форм нахождения
радионуклидов в почвах различных участков территории СИП.
Научная новизна: Получен комплекс обобщающих данных о содержании форм
нахождения радионуклидов в почвах различных участков территории СИП.
Личный вклад автора: проведение лабораторных работ по определению физикохимических свойств почв, выделению различных форм нахождения радионуклидов путем
получения различных вытяжек почв методом последовательного экстрагирования,
предварительная подготовка вытяжек к радионуклидному анализу, обработка, анализ и
интерпретация полученных данных.
Публикации:
Формы нахождения радионуклидов в почвах экосистем водотоков горного массива
Дегелен. / А.М Кабдыракова, А.Е. Кундузбаева., С.Н.Лукашенко // Сборник трудов
Института радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг / под рук. Лукашенко
С.Н.- вып. 2. - Павлодар : Дом печати, 2010. –527 с.
Kabdyrakova A.M. / Radionuclides species in soils of the watercourse ecosystem at
Degelen mountain of former Semipalatinsk test site/ / A.M. Kabdyrakova, A.E. Kunduzbaeva,
S.N. Lukashenko // Book of abstracts «Environmental radioactivity», Rome 25th – 27th October,
2010y. – Rome – 2010y.
5
. Формы нахождения радионуклидов в почвах экосистем водотоков горного массива
Дегелен. / А.М Кабдыракова, А.Е. Кундузбаева., С.Н.Лукашенко // Тезисы докладов IV
Международной научно-практической конференции «Семипалатинский испытательный
полигон. Радиационное наследие и перспективы развития» 25-27 августа, 2010г. –
Курчатов – 2010г. – С. 67-69.
Формы нахождения радионуклидов в почвах «северных» территорий СИП / А.Е.
Кундузбаева, А.М. Кабдыракова. Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана
[Радиоэкологическое состояние «северной» части территории Семипалатинского
испытательного полигона] / под рук. Лукашенко С.Н.- вып. 1. - Павлодар : Дом печати,
2010. – 234 с.
Формы нахождения радионуклидов в почвах «северных» территорий СИП / А.Е.
Кундузбаева, А.М. Кабдыракова. Материалы комплексного радиоэкологического
обследования «западной» части территории СИП, выполненного в рамках мероприятия /
ИРБЭ НЯЦ РК; отв. исп. Лукашенко С.Н. – Курчатов, 2011. – 197 с.
Ларионова Н.В., Лукашенко С.Н., Кабдыракова А.М., Кундузбаева А.Е., Паницкий
А.В., Байгазинов Ж.А. Особенности накопления техногенных радионуклидов растениями
в районе штольневых водотоков площадки «Дегелен» / Тезисы докладов IVмеждународной научно-практической конференции «Семипалатинский испытательный
полигон. Радиационное наследие и перспективы развития», 25-27 августа 2010 г.,
г.Курчатов, С.77-78.
Ларионова Н.В., Лукашенко С.Н., Кабдыракова А.М., Кундузбаева А.Е. Особенности
накопления техногенных радионуклидов растениями лугового биогеоценоза // Вестник
НЯЦ РК, выпуск 2, июнь 2010, С.136-144.
Н.В. Ларионова, С.Н. Лукашенко, А.М. Кабдыракова, А.Е. Кундузбаева, А.В.
Паницкий, Ж.А. Байгазинов Особенности накопления техногенных радионуклидов
растениями в районе штольневых водотоков площадки «Дегелен» / Сборник трудов
Института радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг., г. Курчатов 2010 г.,
С.301-320.
Практическая значимость: полученные знания о формах нахождения техногенных
радионуклидов в почве могут в дальнейшем послужить основой при разработке
практических рекомендаций по ремедиации и улучшению радиоэкологического состояния
земель СИП и прогнозировании уровня содержания радионуклидов в растениях,
произрастающих на радиоактивно загрязненных территориях, а следовательно, и
миграцию по пищевым цепочкам в организм человека.
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,
ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
СИП - Семипалатинский испытательный полигон;
Бк/кг – Беккерель на килограмм.
6
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ_____________________________________________________________7
1. Материалы и методы исследования__________________________________________8
2. Результаты и обсуждение__________________________________________________11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ_________________________________________________________16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ____________________________18
7
ВВЕДЕНИЕ
Идентификация механизмов биологической доступности радионуклидов в
окружающей среде имеет определяющее значение с точки зрения оценки реальной
опасности радиоактивного загрязнения для человека. Почва является первичным звеном
миграции радионуклидов по пищевым цепям, что определяет необходимость детального
исследования
количественных
характеристик,
определяющих
подвижность
радионуклидов в почвах и системе почва-растение.
Анализ имеющихся многочисленных исследований поведения радионуклидов в
глобальных выпадениях, в почвах радиоактивно загрязненных территорий аварийными
выбросами Чернобыльской АЭС, на Среднем и Южном Урале - в зонах влияния штатно
работающей Белоярской АЭС и комплекса ядерных предприятий ПО "Маяк" показывает,
что поведение тех или иных радионуклидов в почвах разных типов имеет различный
характер.
Физико-химическое состояние радионуклидов, поступивших в почвеннорастительный покров, с течением времени изменяется в зависимости от их собственных
свойств, особенностей поглощающего комплекса и генетического строения почвенного
профиля, а также ряда экологических факторов [1, 7,9,11].Уникальные экологические,
природно-климатические
условия
территории
бывшего
Семипалатинского
испытательного полигона, позволяют использовать ее в качестве естественной
лаборатории по исследованию поведения радионуклидов в окружающей среде. Особенно
актуальными подобные исследования становятся в условиях возможности организации
ведения хозяйственной деятельности на исследуемой территории бывшего СИП с учетом
ее особенностей [5].
Настоящая работа посвящена результатов исследования параметров биологической
подвижности радионуклидов 137Cs, 241Am, 90Sr и 239+240Pu в почвах различных участков
территории СИП, в т.ч. в почвах луговых экосистем, подверженных влиянию
радиоактивно-загрязненных водотоков штолен, в почвах степных экосистем,
подвергшихся наземному радиоактивному загрязнению разного типа, а также в почвах с
"фоновыми" содержаниями радионуклидов.
Обобщенные данные о формах нахождения техногенных радионуклидов в почве
могут в дальнейшем послужить основой при разработке практических рекомендаций по
ремедиации и улучшению радиоэкологического состояния земель СИП и
прогнозировании уровня содержания радионуклидов в растениях, произрастающих на
различных территориях СИП, а следовательно, и миграцию по пищевым цепочкам в
организм человека.
8
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объекты исследований.Результаты, представленные в данной работе были получены
в ходе многолетних исследований (2008-2011г.г.) форм нахождения радионуклидов в
почвах различных экосистем территории СИП. Исследуемые участки были объединены в
три группы, в зависимости от характера и уровня радиоактивного загрязнения, почвенноклиматических условий.
Участок I. Луговые почвы экосистем горного массива Дегелен. Испытательная
площадка «Дегелен» в географическом отношении представляет собой одноименный
низкогорный массив, который является частью северо-востока Казахской складчатой
страны. Общая площадь территории около 220 кв. км. Во время функционирования СИП
служила местом проведения ядерных испытаний в горизонтальных выработках-штольнях.
Хотя основная масса продуктов ядерного взрыва сосредоточена в котловых полостях
штолен, радионуклиды выносятся на дневную поверхность вместе с водами,
поступающими в котловую полость штолен [2]. Исследуемыми участками испытательной
площадки Дегелен были выбраны экосистемы в районе припортальных площадок штолен
№ 176 и № 177, характеризующихся постоянным водотоком. Установлено, что наиболее
значительными источниками загрязнения данных площадок в настоящее время являются
водотоки из штолен.
Участок II. Степные почвы участка «Опытное поле». Площадка «Опытное поле»
представляет собой равнину диаметром около 20 км, окруженную невысокими горами [3].
На этой площадке проводились наземные, воздушные и высотные ядерные взрывы, в т.ч.
и модельные (гидродинамические, гидроядерные) эксперименты. Всего проведено более
100 взрывов. В результате испытаний произошло загрязнение больших территорий, как на
полигоне, так и за его пределами. Изучение форм нахождения радионуклидов в почвах
испытательной площадки «Опытное поле» начались в 2010г, в рамках проведения работ
по НТП [4]. Заключительные данные по изучению испытательной площадки ОПП
планируется получить в текущем году. Определенная часть полученных на сегодняшний
момент результатов нашла отражение в данной работе.
Участок III. Фоновые участки - "северные" и "западные" территории СИП.
Исследования форм нахождения радионуклидов в степных почвах "северных" и
"западных" участков территории СИП проводились в рамках комплексных
радиоэкологических исследований [5, 6]. В результате данных исследований был сделан
вывод о возможности использования данных территорий без каких-либо ограничений. На
основании принятых рекомендаций данные участки были определены как "фоновые"
участки территории СИП.
Формирование радиационной обстановки на "северной" и "западной" территориях, в
основном, может быть обусловлено следующими испытаниями:
- атмосферные ядерные и модельные эксперименты на площадке "Опытное поле";
- испытания боевых радиоактивных веществ на площадке "4а";
- подземное ядерное испытание на площадке "Сары-Узень" в скважине № 1003 (а
также в скважинах № 101, № 125- для "западных" территорий) [5, 6].
Отбор проб.
Отбор проб почв на всех исследуемых участках проводился в местах с наиболее
высокими уровнями радиоактивного загрязнения. Точки отбора проб почвы были
привязаны к точкам отбора проб растений, отбираемых для определения коэффициентов
накопления радионуклидов растениями.
На испытательной площадке «Дегелен» отбор проб почв на территории
припортальных участков штолен № 176 и № 177 проводился вдоль русла водотоков по
мере отдаленности от порталов штолен. Было заложено 30 и 36 исследовательских
9
площадок, соответственно, с отбором проб почвы на глубину 20 см, площадью не менее
100 см2.
На площадке «Опытное поле» было заложено 32 исследовательских площадок.
Отбор проб проводился на глубину 0-5 см, площадью 100 см2, на участках,
непосредственно прилегающих к эпицентрам испытаний. Всего было выделено 5
соответствующих участков
На, так называемых, «фоновых» участках– «северной» и «западной» частях
территории СИП было заложено 8 и 10 исследовательских площадок, соответственно.
Отбор проб проводился на глубину 0-3 см, с площади 600 см2.
Общая схема расположения исследуемых участков представлена на рисунке
(Рисунок 1)
Рисунок 1. Схема расположения исследуемых участков СИП.
Изучение форм нахождения радионуклидов.
Для оценки биологической доступности радионуклидов, отражающей их
распределение между элементами почвенного поглощающего комплекса, используют два
основных показателя - совокупность форм нахождения радионуклидов в почве и
коэффициенты перехода (накопления) в растения [7].
Среди многообразия форм состояния радионуклидов в природных средах с точки
зрения прогнозирования их распространения и поведения в окружающей среде
целесообразно прежде всего выделять водорастворимую, обменную и необменную формы
[8, 9]. Такое определение в достаточной степени условно, поскольку закрепление
радионуклидов в почвах является следствием различных процессов и доступность
образуемых соединений для корневого поглощения различается в зависимости от физикохимических свойств самих радионуклидов [10].
10
Изучение форм нахождения радионуклидов в данной работе проводилось с
использованием метода последовательного экстрагирования, общая схема которого
приведена на рисунке (Рисунок 2).
Рисунок 2. Общая схема последовательного экстрагирования.
Для первых пяти форм нахождения каждая последующая вытяжка извлекает формы соединений, входящие в
предыдущую.
Приведенная схема последовательного экстрагирования содержит наиболее полную
информацию об использованных нами схем. В процессе исследований методика
модифицировалась. Так, уже первые полученные результаты по содержанию форм
нахождения радионуклидов показали нецелесообразность выделения водорастворимых
форм, поскольку содержание данных форм незначительно, в большинстве случаев их
содержание составляли значения менее предела обнаружения используемых методик. В
дальнейшем, схема была дополнена определением органических форм, выделяемых
раствором 0,1н NaOH. Наиболее сокращенная схема последовательного экстрагирования
применялась при изучении форм нахождения радионуклидов в почвах фоновых участков «северных» и «западных» территориях, а также радионуклидов . 241Am и 239+240Pu в почвах
экосистемы в районе штольни № 177.
Водорастворимые формы выделялись дистиллированной водой H2O (при
соотношении почвы и выщелачивающего раствора 1:5). Обменные формы - с помощью
раствора 1М CH3COONH4 (рН=6,8) (1:5). Органические формы экстрагировали с
использованием раствора 0,1н NaOH. Необменные (кислоторастворимые) - подвижные и
фиксированные формы, выделяемые растворами 1н HCl и 6н HCl, соответственно.
Прочносвязанные формы, которые не вытесняются вышеперечисленными реагентами,
определяли непосредственно в остатках почвы после экстрагирования.
Время контакта почвы с выщелачивающим раствором на всех этапах эксперимента
составляло не менее 12 часов.
Известно, что в водную вытяжку переходят катионы радионуклидов,
десорбирующиеся из почвы по механизму ионного обмена, а также растворимые
комплексные соединения радионуклидов с компонентами почвы ( в нейтральной или
анионной форме). Концентрация катионов радионуклида в растворе водной вытяжки
устанавливается в соответствии с положением ионообменного равновесия, которое
11
определяется величиной обменной емкости почвы и концентрацией обменных ионов в
растворе. Основными обменными ионами в почве являются Ca2+, Mg2+, Na+, K+ и H+ [11]
В ацетатно-аммонийную вытяжку переходят радионуклиды, сорбированные в почве
по механизму обменного обмена [8, 9].
Органические формы, экстрагируемые раствором 0,1н NaOH, содержат в себе
радионуклиды, связанные с органическими веществами почвы. В частности, в составе
фракции I - гуминовые кислоты и фульфокислоты (ГК и ФК) и их соли, свободные или
непрочно связанные с минеральной частью почвы, растворимой в 0,1н растворе NaOH (по
Тюрину) [12]. Как известно, растворимые гумусовые вещества могут взаимодействовать с
катионами тяжелых металлов, а также с искусственными радионуклидами, образуя
гуматы, фульваты. Эти реакции подчиняются закономерностям образования и поведения
простых или комплексных гетерополярных солей и оказывают влияние на миграцию,
аккумуляцию и поступление в растения токсичных элементов.
Кислоторастворимые соединения экстрагируемые раствором 1н HCl включают в
себя радионуклиды, преимущественно, в необменном состоянии, т.е. те формы
радионуклидов, которые не переходят в почвенные растворы в природной среде при
обычных условиях, но способные поглощаться растениями при корневом пути
поступления, образуя, так называемый, потенциально-доступный резерв [13, 11]. В
кислотные 6н HCl вытяжки переходят радионуклиды в необменном, так называемом
необратимо сорбированном, недоступном растениям состоянии.
Прочносвязанные формы содержат в себе радионуклиды, не растворяющиеся в
вышеперечисленных реагентах и недоступные растениям.
Содержание 137Cs и 241Am в образцах почвы и вытяжках определяли
инструментальным гамма - спектрометрическим методом. Удельную активность 90Sr в
образцах почвы определяли неразрушающим методом - прямым инструментальным
измерением эффективной удельной активности 90Sr на бета - спектрометре с
программным обеспечением «Прогресс». Объемную активность 90Sr и 239+240Pu в образцах
вытяжек - радиохимическим методом.
Изучение физико-химических свойств почвы.
В почвенных образцах наряду с содержанием радионуклидов определяли физико химические параметры. Определяли гумус по методу Тюрина в модификации Никитина;
рН водной вытяжки - потенциометрическим методом; сумму поглощенных оснований –
трилонометрическим методом; содержание водорастворимых солей; содержание
карбонатов – объемным методом; гранулометрический состав – пипет - методом [14, 15,
16, 17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Характеристика почв исследуемой экосистемы.
Луговые почвы площадки Дегелен (штольни. №176, № 177).
Из общего описания почвенного покрова и полученных почвенных характеристик
(Таблица 1) можно отметить, что почвы 2-х исследуемых экосистем штолен № 176 и №
177 относятся к почвам лугового ряда.Почвы маломощные. Мощность почвенной толщи в
русле не превышает 40 - 60 см, в береговой зоне 20 - 40 см. Они достаточно хорошо
гумусированы, особенно по центру русла, хорошо промыты от легкорастворимых солей и
карбонатов. рН водной суспензии редко нейтральная, чаще слабощелочная или щелочная.
В почвенно - поглощающем комплексе преобладает катион Са. По механическому составу
на участке детального обследования экосистемы водотока штольни № 176 почвы, в
основном, легкосуглинистые и супесчаные, реже средне суглинистые, тогда как на
участке водотока штольни № 177 среди рыхлых отложений преобладают средние и
тяжелые суглинки. Это обусловлено уменьшением уклонов, и, как следствие, снижением
12
дренированности территории. Все исследуемые луговые почвы долин отличаются
включением по всему почвенному профилю большого обломочного материала: хряща,
крупного песка и крупной пыли. Необходимо отметить, что в луговых почвах экосистемы
водотока штольни № 176 содержание илистых частиц находится в пределах 0,1-11%, а в
почвах экосистемы штольни № 177, подвергающихся меньшей дренированности,
содержание ила достигает 19-31%. Таким образом, уменьшение уклона местности, и,
соответственно, скорости потока, приводит к изменению естественной дренированности
территории, что отражается в почвенных показателях: увеличивается количество тонких
частиц, отмечается накопление легкорастворимых солей в поверхностных горизонтах,
увеличивается количество тонкого гумуса [18].
Почвы площадки "Опытное поле".
На основании проведенных полевых и лабораторных работ (Таблица 1) можно
сказать, что почвенный покров достаточно однообразный. Исследуемые почвы относятся
к светло-каштановым, суглинистым. Все почвы карбонатные, вскипание отмечается как с
поверхности, так и с нижней части гумусового горизонта..На глубине около 100 см на
всех исследуемых площадках встречен дресвянно-супесчаный пылеватый горизонт. В
момент обследования грунт свежий, но на более глубоких отметках или весной он может
быть водонасыщенным. Но при наличии уклона поверхности на север, он может служить
дренажной системой для данной территории, но, по-видимому, слабой, так как в
противном случае, почвогрунты в пределах 1м от поверхности не были бы карбонатными.
Почвы исследуемой территории площадки "Опытное поле" с поверхности
слабощелочные или щелочные с РН от 7,0 до 8,4. Книзу щелочность почв усиливается до
7,9-8,8. Содержание гумуса находится, в основном, в пределах 2-3 %, но в некоторых
случаях значения повышаются до 5 %. В поверхностных горизонтах сумма
легкорастворимых солей менее 0,100%, что позволяет их отнести к незасоленным. Но с
глубиной засоление увеличивается, и сумма солей достигает 0,5276 %. Среди
поглощенных оснований наблюдается абсолютное преобладание содержания Са над Mg.
Таблица 1. Физико-химические показатели исследуемых почв.
13
Почвенные характеристики
Шт. № 176
Шт. № 177
Концентрация органического вещества, С, %
рН водной суспензии (актуальная кислотность)
14,0
7,1 ÷ 23,0
7,5
6,8 ÷ 7,9
16
11 ÷ 21
7,5
7,1 ÷ 7,9
Сумма солей, %
0,045
0,02 ÷ 0,27
0,2
0,05 ÷ 0,6
0,13
0,04 ÷ 0,62
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г
27
17,0 ÷ 40,4
41
28 ÷ 52
14,7
6,0 ÷ 79,2
Карбонаты, %
-
-
1,3
0,1 ÷ 5,0
Гранулометрический состав)
23,0
содержание физической глины
(частиц почвы размером <0.01 мм), %
15,0 ÷ 37,1
в том числе:
5,3
илистых частиц (<0.001 мм), %
0,13 ÷ 10,8
42,0
32 ÷ 59,0
24
19 ÷ 31,1
«Опытное
поле»
1,7
7,9
7,0 ÷ 8,8
27,5
67,6 ÷ 40,4
17,7
40,9 ÷ 23,8
мелкой пыли (0.001-0.005 мм), %
9,1
0,2 ÷ 17,1
9,4
3,4 ÷ 25,0
9,2
0,53 ÷ 23,9
средней пыли (0.005-0.01 мм), %
8,6
3,3 ÷ 13,8
9,4
3,2 ÷ 15,4
8,2
0,29 ÷ 17,3
Удельная активность 137Cs в почве, Бк/кг
29
12,6 ÷ 41,0
27 371
452020 ÷ 26,0
35,0
3,2 ÷ 48,4
1900
16 ÷ 8700
12,1
2,9 ÷ 22,4
2851
340 ÷ 9000
Удельная активность 90Sr в почве, Бк/кг
11 874
610 ÷ 33050
72000
1700 ÷ 117000
4200
560 ÷ 29000
Удельная активность 241Am в почве, Бк/кг
Не опр.
Удельная активность 239+240Pu в почве, Бк/кг
Не опр.
400
200 ÷ 700
6300
3000 ÷ 12000
8740
700-101600
83361
900 ÷ 1 300 000
содержание частиц крупной пыли (0.01-0.05 мм),
%
(Приведены средние значения (над чертой) и диапазон значений (под чертой))
Содержание форм нахождения радионуклидов.
Формы нахождения радионуклидов в почвах площадки "Опытное поле". Отдельного
рассмотрения заслуживают результаты, полученные для радионуклидов в почвах
площадки "Опытное поле", характеризующейся уникальностью характера радиоактивного
загрязнения, сформированного атмосферными, наземными и модельными испытаниями на
данной территории. Результаты содержания форм нахождения радионуклидов в луговых
почвах площадки "Дегелен" и в почвах "северных" и "западных" территорий СИП в
данной работе не приводятся, т.к. они неоднократно публиковались и докладывались
ранее. [5,6,19, 20, 21, 22, 23, 24].
Результаты изучения форм нахождения радионуклидов в почвах степных
экосистем участка Опытное поле в инастоящий момент продолжаются. Получены данные
исследований 12 проб почв по содержанию форм нахождения радионуклидов 137Cs и
241
Am. Данные представлены в таблице (Таблица 2).
Таблица 2. Содержание форм нахождения радионуклидов в почвах площадки «Опытное поле», % от
суммарного содержания.
Формы нахождения
водорастворимая
обменная
органическая
137
Cs, % (n=12)
241
Am, % (n=12)
< 0,07%
< 0,17
< 0,01%
< 0,5
90Sr, %
-
239+240Pu, %
-
14
подвижная
фиксированная
прочносвязанная
< 0,04%
< 18,3
≥ 99,8%
≥ 81,0
-
-
"-" не определено
В связи с тем, что в большинстве случаев получены неколичественные результаты
(значения менее предела обнаружения используемой методики исследования) в таблице
приведены оценочные данные содержания форм нахождения исследованных
радионуклидов. Для 137Cs наблюдается характерная для данного радионуклида картина основное содержание (99%) представлено в прочносвязанной форме. Содержание
радионуклида 241Am, в основном, также представлено в прочносвязанной форме (81%),
менее значительной по содержанию радионуклида является подвижная форма (18,3%).
Для общего понимания картины о содержании форм нахождения изучаемых
радионуклидов в почвах различных участков СИП, целесообразным является проведение
сравнительного анализа содержания форм нахождения каждого из изучаемых
радионуклидов в почвах всех исследованных участков. Обобщающие данные
представлены в таблице (Таблица 3)
Таблица 3. Содержание форм нахождения радионуклид 137Cs в почвах всех исследуемых участков, % от
суммарного содержания.
Объект
шт. № 176
(n=36)
шт. № 177
(n=12)
«Опытное
поле»
(n=12)
«север»
(n=10)
«запад»
(n=8)
Формы нахождения
Органическая
Подвижная
Водорастворимая
Обменная
Фиксированная
Прочносвязанная
< 0,5
6,8
-
4,5
26,0
62,2
<0,2
<0,4
1,2
4,0
3,4
90,8
≤ 0,07%
≤ 0,01%
≤0,04%
≥ 99,8%
≤ 18,0%
-
≤ 13,0%
≥ 68,0%
16,4%
-
13,9%
69,7%
Физико-химическое состояние радионуклидов, поступивших в почвеннорастительный покров, с течением времени изменяется в зависимости от их собственных
свойств, особенностей поглощающего комплекса и генетического строения почвенного
профиля, а также ряда экологических факторов. В результате изменяется миграционная
способность радионуклидов и их доступность растениям. Сравнительный анализ
показывает, что отличительные рельефные, почвенно-климатические условия различных
друг от друга исследуемых экосистем существенно отражаются на биологической
подвижности изучаемых радионуклидов.
Поведение радионуклида 137Cs в почвах всех исследованных участков
принципиально не отличается. В общем, механизм поведения радионуклида 137Cs в почвах
исследованных участков СИП схож с механизмом поведения в почвах при глобальных
выпадениях [7]. Особенно это выражено в почвах площадки «Опытное поле», практически
достигая 100% от содержания всех форм. В почвах экосистем в районе штолен № 176 и №
177 содержание недоступных форм также значительно, порядка 86% - 91%. Очевидно
отличие поведения радионуклида 137Cs в почвах «фоновых» участков, в которых
распределение радионуклида происходит в сторону увеличения содержания доступных
форм (обменных и подвижных) радионуклида 137Cs. Известно, что радионуклид137Cs в
большей мере связан с минеральной частью почвенно-поглощающего комплекса, которая
играет весьма важную роль в подвижности его в почве и переходе в растения [25].
Возможно, немаловажную роль в данном факте играет отличие минералогического
состава почв «фоновых» участков, которые на данный момент еще не изучены.
Результаты содержания форм нахождения радионуклида 241Am приведены в таблице
(Таблица 4).
15
Таблица 4. Содержание форм нахождения радионуклид 241Am в почвах всех исследуемых участков, % от
суммарного содержания.
Объект
шт. № 176
(n=36)
шт. № 177
(n=12)
«Опытное
поле»
(n=12)
«север»
(n=10)
«запад»
(n=8)
Водорастворимая
Обменная
-
-
Формы нахождения
Органическая
Подвижная
Фиксированная
Прочносвязанная
-
-
-
-
3,0
2,0
76,0
19,0
≤0,17
≤0,5
≤18,3
-≥81,0
≤ 17,6
-
≥ 58,2
≤ 24,2
≤ 30,8%
-
≥ 57,7%
≤ 11,5%
По предварительным данным, полученным по площадке «Опытное поле», в почвах
данного участка радионуклид обладает наименьшей миграционной способностью –
содержание недоступных форм превышает 81%, а содержание легкодоступных растениям
форм (водорастворимой и обменной)в сумме не превышают 0,3%. Наибольшей
подвижностью радионуклид 241Am отличается в луговых почвах экосистемы в районе
штольни № 177, содержание легкодоступных форм достигает 5%, подвижных – до 76%.
Лишь 19% от суммарного содержания радионуклида составляет прочносвязанная форма.
Вполне очевидно влияние на поведение радионуклида 241Am режима увлажненности
исследуемого участка, который из всех факторов в наибольшей степени имеет влияние на
миграционные свойства радионуклидов.
По содержанию форм нахождения радионуклида 241Am значительно отличаются
почвы «фоновых» участков. Повышено содержание обменных форм радионуклида,
достигая по оценочным данным 18% и 31% в почвах «северных» и «западных»
территорий, соответственно. Содержание подвижных форм радионуклида для двух
участков составляет 58% от суммы всех форм. Доля прочносвязанных и форм не
превышает 24% и 12 %, соответственно.
Таблица 5. Содержание форм нахождения радионуклид 90Sr в почвах всех исследуемых участков, % от
суммарного содержания.
Объект
шт. № 176
(n=36)
шт. № 177
(n=12)
«Опытное
поле»
(n=12)
«север»
(n=10)
«запад»
(n=8)
Водорастворимая
Обменная
1,1
53,4
Формы нахождения
Органическая
Подвижная
Фиксированная
Прочносвязанная
-
35,2
6,4
3,9
53,00
1,8
33,1
8,2
3,9
-
-
-
-
≥ 77,1%
-
≤ 20,0%
≤ 2,9%
48,8
-
38,9
12,3
Основное содержание радионуклида Sr в почвах всех исследуемых участков
приходится на долю обменной формы, по-видимому, обуславливающих его большую
биологическую доступность. Содержание форм нахождения радионуклида 90Sr в луговых
почвах горного массива Дегелен принципиально не отличаются. Практически одинаково,
в среднем, 53% от суммарного содержания радионуклид, находится в легкодоступной
форме (водорастворимой и обменной). 33% - 35% содержания радионуклида 90Sr
находится в подвижной форме, представляющей потенциальный резерв для растений.
Лишь 10% - 12% от суммарного содержания всех форм радионуклида приходится на
недоступные растениям формы. Согласно опубликованным ранее данным в почвах
площадки "Дегелен"было выявлено слабое влияние некоторых почвенных характеристик
на подвижность радионуклида 90Sr при практически идентичных физико-химических
90
16
почвенных показателях. В частности, выявлено слабое влияние механического состава
почв (содержание илистых частиц и физической глины) и обратное влияние содержания
обменных оснований на содержание фиксированных и прочносвязанных форм
радионуклида.
Соотношение форм нахождения радионуклида 90Sr в почвах «западных» территорий
принципиально не отличается от соотношения форм нахождения в луговых почвах.
Наибольшее содержание обменной формы радионуклида 90Sr отмечается в почвах
«северных» территорий, превышая 77% от суммарного содержания всех форм
радионуклида. Противоречивый характер имеет поведение радионуклида 90Sr в почвах
«фоновых» участков при практически схожем уровне и характере радиоактивного
загрязнения, а, следовательно, и изначально одинаковых физико-химических состояниях
радионуклида 90Sr в выпадениях, оказавших значительное влияние на радиоактивное
загрязнение данных территорий.
Преимущественное включение радионуклидов в ту или иную группу соединений
зависит как от их собственных свойств, так и от свойств почв, в которые эти нуклиды
попадают [26]. Вероятнее всего, причина кроется в отличии минералогического,
химического состава, емкостей поглощения, сорбционной способности и других
почвенных характеристик исследуемых участков.
Таблица 6.Содержание форм нахождения радионуклид 239+240Pu в почвах всех исследуемых участков, %
от суммарного содержания.
Объект
шт. № 176
(n=36)
шт. № 177
(n=12)
«Опытное
поле»
(n=12)
«север»
(n=10)
«запад»
(n=8)
Водорастворимая
Обменная
-
-
Формы нахождения
Органическая
Подвижная
Фиксированная
Прочносвязанная
-
-
-
-
1,0
4,0
2,0
93,0
-
-
-
-
≤ 1,3%
-
≤ 3,8%
≥ 94,9%
3,0%
-
2,6%
94,3%
Наибольшей тождественностью поведения и стабильностью в исследуемых почвах
обладает радионуклид 239+240Pu. Имеющиеся данные по содержанию форм нахождения
данного радионуклида в почвах экосистемы в районе штольни № 177 и «фоновых»
территорий показывают, что основное содержание данного радионуклида находится в
прочносвязанных, недоступных растениям, формах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований накоплен значительный материал о
содержании форм нахождения радионуклидов 137Cs, 241Am, 90Sr, 239+240Pu в почвах
различных участков СИП. В ходе проведения сравнительного анализа проведено
обобщение полученных данных для всех изучаемых территорий СИП.
По содержанию подвижных форм исследованные радионуклиды можно
расположить в следующий убывающий ряд:
90
Sr > 241Am > 137Cs > 239+240Pu.
Предварительные обобщающие данные позволяют сделать вывод о том, что
наибольшей тождественностью в поведении в почвах, а возможно, и наибольшей долей
прогнозируемости поведения обладает радионуклид 239+240Pu. Содержание недоступных
растениям форм данного радионуклида как в луговых почвах с высоким режимом
17
увлажнения, так и в степных почвах территорий с «фоновыми» содержаниями
радионуклида составляет не менее 93%.
Основное содержание радионуклида 137Cs в почвах всех исследуемых территорий
приходится на долю недоступных растениям форм (фиксированная и прочносвязанная).
Результаты показывают, что режим увлажнения не оказывает значительного влияния на
содержание недоступных форм радионуклида 137CsНаибольшей вариацией данных
содержания форм характеризуется радионуклид 241Am. Предположительно, значительное
влияние на подвижность 241Am в почвах оказывает режим увлажнения почв. В луговых
почвах, отличающихся более высоким режимом увлажнения, содержание подвижных
форм радионуклида увеличивается. Почвы площадки «Опытное поле», отличающиеся
высокими уровнями загрязнения радионуклидом 241Am, характеризуется наиболее
высокими содержаниями прочносвязанных форм радионуклида.
Радионуклид 90Sr отличается наибольшей подвижностью в почвах всех
исследованных участков. Наибольшая подвижность радионуклида 90Sr зафиксирована в
почвах «северных» территорий СИП.
Характер поведения изученных радионуклидов в исследуемых почвах
принципиально не отличается от глобальных выпадений. Накопленный на данный момент
объем данных, с учетом завершения в ближайшем будущем исследований почв площадки
"Опытное поле", в некоторой степени позволяет делать прогнозы о поведении изученных
радионуклидов в почвах других участков территории СИП с условием наличия
информации об уровне и характере радиоактивного загрязнения, почвенно-климатических
условий. Однако, экспериментальные данные, полученные при краткосрочных
экспериментах не правомерно использовать для долговременного прогнозирования
поведения радионуклидов в почве. Следовательно, возникает необходимость изучения
динамики поведения радионуклидов в почве с течением времени.
18
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Михайловская Л.Н. Физико-химическое состояние радионуклидов в почвах зон влияния предприятий
ядерного топливного цикла. / Л.Н. Михайловская, И.В. Молчанова, Е.Н. Караваева // Агрохимия. – 2004. –
вып. №7. – С.67-71.
2
Особенности состава, форм нахождения и распределения радионуклидов на различных участках СИП /
К.К. Кадыржанов [и др.] // Вестник НЯЦ РК. – 2000. – вып. 3. – С. 15-21.
1
Артемьев О.И. Радионуклидное загрязнение территории бывшего Семипалатинского испытательного
ядерного полигона / О.И. Артемьев, М.А. Ахметов, Л.Д. Птицкая // Вестник НЯЦ РК. – 2001. – вып. № 3. –
С. 12–18.
4
Отчет о научно-технической деятельности Института радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК,
выполненного в рамках этапа 01.01.02 " Изучение степных экосистем, подвергшихся наземному
радиоактивному загрязнениюразного типа" за 1 квартал 2011 года: квартальный /ИРБЭ НЯЦ РК; рук.
Лукашенко С.Н. – Курчатов, 2011.– 11с.
5
Актуальные вопросы радиоэкологии Казахстана [Радиоэкологическое состояние «северной» части
территории Семипалатинского испытательного полигона] / под рук. Лукашенко С.Н.- вып. 1. - Павлодар :
Дом печати, 2010. – 234 с.
6
Материалы комплексного радиоэкологического обследования «западной» части территории СИП,
выполненного в рамках мероприятия / ИРБЭ НЯЦ РК; отв. исп. Лукашенко С.Н. – Курчатов, 2011. – 197 с.
7
Санжарова Н.И. Формы нахождения в почвах и динамика накопления 137Cs в сельскохозяйственных
культурах после аварии на чернобыльской АЭС. / Н.И. Санжарова [и др.] // Почвоведение – 1997. – вып.№ 2.
– С. 159-164.
8
Коноплев А.В. Динамика вымывания долгоживущих радионуклидов, выпавших в результате аварии на
ЧАЭС, из почвы поверхностным стоком / А.В. Коноплев [и др.] // Метеорология и гидрогеология – 1990. –
вып. №; 12. – С. 63-74.
9
Павлоцкая Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах. / Ф.И. Павлоцкая. –
М. : Атомиздат, 1974. – 215 с.
10
Котова А.Ю., Санжарова Н.И. Поведение некоторых радионуклидов в различных почвах. / А.Ю. Котова,
Н.И. Санжарова // Почвоведение – 2002. – вып. № 1. – С. 108-120.
11
Бобовникова Ц.И. Химические формы нахождения долгоживущих радионуклидов и их трансформация в
почвах зоны аварии на ЧАЭС. / Ц.И. Бобовникова [и др.] // Почвоведение – 1990. – вып. № 10. – С.20-26.
12
Орлов Д.С. Практикум по биохимии гумуса / Д.С. Орлов, Л.А.Гришина, Н.Л. Ерошинева. - М.: Изд-во
Московского Университета, 1969. - 160с.
13
Мартюшов В.В. Состояние радионуклидов в почвах Восточно-Уральского радиоактивногоследа. / В.В.
Мартюшов [и др.] // Экология – 1995. – вып. № 2. – С. 110-113.
14
ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) состава и
и микроагрегатного состава. - Взамен ГОСТ 12536-67; введен 1980-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1979. 13с.
15
ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. - Взамен ГОСТ 26213-84; введен
1991-12-29. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 6с.
16
ГОСТ 26423-85. – ГОСТ 26428-85. Почвы. Методы определения катионно - анионного состава водной
вытяжки. –Введ. 1985-02-18. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 10с.
17
Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и растительности Республики
Казахстан. - Алматы, 1998. – 226с.
18
Паницкий А.В. Характерные особенности радиоактивного загрязнения компонентов природной среды
экосистем водотоков штолен горного массива Дегелен / А.В. Паницкий [и др.] // Сборник трудов Института
радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг / под рук. Лукашенко С.Н.- вып. 2. - Павлодар : Дом
печати, 2010. –527 с.
19
Кабдыракова А.М. Формы нахождения радионуклидов в луговых почвах штольни № 176 площадки
«Дегелен». / А.М. Кабдыракова [и др.] // Вестник НЯЦ РК – вып. № 2. – С. 136-142.
20
Кабдыракова А.М. Формы нахождения техногенных радионуклидов в луговых почвах площадки «
Дегелен». / А.М. Кабдыракова, С.Н. Лукашенко, Н.В. Ларионова // Материалы III Международной
конференции «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы
нераспространения» 6-8октября 2008 г. – Курчатов – 2008г. – С. 39-39.
21
Кабдыракова А.М. Формы нахождения техногенных радионуклидов в луговых почвах экосистемы
штольни с водотоком на площадке « Дегелен». / А.М. Кабдыракова [и др.] // Материалы 7-й Международной
конференции «Ядерная и радиационная физика» 8-11 сентября 2009 г. – Алматы – 2009г. – С.203.
22
Кабдыракова А.М.Формы нахождения радионуклидов в почвах экосистем водотоков горного массива
Дегелен. / А.М Кабдыракова, А.Е. Кундузбаева., С.Н.Лукашенко // Сборник трудов Института
радиационной безопасности и экологии за 2007-2009 гг / под рук. Лукашенко С.Н.- вып. 2. - Павлодар : Дом
печати, 2010. –527 с.
3
19
23
Kabdyrakova A.M. / Radionuclides species in soils of the watercourse ecosystem at Degelen mountain of former
Semipalatinsk test site/ / A.M. Kabdyrakova, A.E. Kunduzbaeva, S.N. Lukashenko // Book of abstracts
«Environmental radioactivity», Rome 25th – 27th October, 2010y. – Rome – 2010y.
Кабдыракова А.М.. Формы нахождения радионуклидов в почвах экосистем водотоков горного массива
Дегелен. / А.М Кабдыракова, А.Е. Кундузбаева., С.Н.Лукашенко // Тезисы докладов IV Международной
научно-практической конференции «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и
перспективы развития» 25-27 августа, 2010г. – Курчатов – 2010г. – С. 67-69.
25
Тихомиров Ф.А. Долгоживущие радионуклиды иода, цезия и углерода в системе атмосфера-почварастения. / Ф.А. Тихомиров, И.Т. Моисеев // Агрохимия – 1987. – вып. № 2. – С. 79-85.
24
Молчанова И.В. Подвижность радионуклидов в почвенно-растительном покрове аварийной зоны
чернобыльской АЭС. / И.В. Молчанова, Л.Н. Михайловская, Е.Н. Караваева // Экология – 1991. – вып. № 3.
– С. 89-91.
26