Аккумуляция урана и радия-226 дикорастущими растениями и их фиторемедиационный потенциал

Рост ядерной промышленности с каждым годом увеличивает техногенную нагрузку на природные экосистемы. Важное место среди проблем, связанных с загрязнением, занимает радиационная безопасность. Так, добыча урановых руд сопровождается большим выбросом пылеобразующих радиоактивных частиц, а при переработке этого сырья образуется значительное количество отходов с повышенным содержанием радионуклидов ряда распада урана и актиноурана. По прогнозам экспертов [1], объемы добычи природного урана в ближайшей перспективе увеличатся в два раза. Ожидается, что в будущем этот показатель будет только расти, привнося в жизнь новые экологические проблемы, связанные с процессами концентрирования и рассеяния естественных радиоактивных элементов в природных объектах.

Двоякую роль в биогеохимических миграционных циклах радионуклидов способны играть растения. Являясь одним из ключевых звеньев пищевых цепей, они способствуют поступлению радионуклидов в организмы животных и человека, что в конечном итоге приводит к проблемам токсикологического и радиологического характера [2]. В то же время, благодаря аккумулирующим функциям, растения приносят огромную пользу человечеству, выполняя важную роль в удалении загрязняющих веществ, в том числе радионуклидов, из окружающей среды и способствуя тем самым ее очищению. На этом их свойстве основаны фиторемедиационные технологии восстановления нарушенных территорий [3-6].

В Республике Коми имеются территории, подвергшиеся загрязнению природными радионуклидами более 60 лет назад вследствие добычи радия из пластовых вод [7], что привело к нарушению первоначального биогеоценоза. В процессе его восстановления формирование растительных сообществ происходило естественным образом. В настоящее время на этих загрязненных участках разнообразие сосудистых растений в своей географической и экологической структуре не отличается от фоновых территорий района, хотя на площадках с наибольшим уровнем радиационного и химического воздействия оно характеризуется все же меньшим богатством видов [8].

Цель работы - исследование аккумуляции урана и радия-226 некоторыми дикорастущими видами растений, произрастающими в условиях радиоактивного загрязнения. Изучение этих свойств растений может способствовать не только идентификации роли растительности в биогеохимических циклах радионуклидов и процессах самоочищения почв от поллютантов, но и выявлению видов, по лезных для использования в фиторемедиационных мероприятиях.

Материалы и методы

Полевые наблюдения и отбор проб проводились в окрестностях пос. Водный Ухтинского района Республики Коми, где до 1947 г. действовало крупное предприятие по добыче радия из пластовых вод нефтяных месторождений, а позже, до 1957 г., - из отходов урановой промышленности [7]. Исследуемый участок площадью около 1 га является территорией бывшего химического завода, радиоактивное загрязнение которой произошло в результате сброса на поверхность почвы отработанных пластовых вод. В целом, участок характеризуется пойменной аллювиально-дерновой почвой, на которой произрастает луговая растительность. Однако примерно треть территории заболочена и занята осоковым сообществом растений. В 2018-2019 гг. здесь наряду с почвенным субстратом были отобраны образцы доминирующих видов многолетних растений канареечника тростниковидного (Phalaris arundina-сеа L.) и осоки острой (Carex acuta L.) для радиохимического определения содержания урана и радия-226 в их подземных (корни) и надземных частях. Для этого растения выкапывали вместе с корнями. Корневую часть отмывали от почвы и отделяли от надземной биомассы. На основе полученных данных о содержаниях урана и радия-226 в разных частях растений были вычислены коэффициенты накопления (КН) радионуклидов в них относительно почвы. Рассчитывали также коэффициент перехода КП (корень / надземная часть) как кратность концентрирования радионуклидов в надземной биомассе относительно корней растений.

Уран в растениях и почвах анализировали люминесцентным методом [9]. Чувствительность ме-тода - 0.03 мкг/г при ошибке измерений ±20 %. Радий-226 определяли эманационным методом [10]. Чувствительность метода - 2.0 х Ю"12 г/г, погрешность измерений - 15 %. Все измерения осуществляли в трехкратных повторностях, расчеты были произведены на воздушно-сухое вещество. Статистическую обработку результатов проводили в программах Statistica 6.1 (StatSoft Inc.). Описательная статистика рассчитана при доверительном интервале 95 %. Достоверность различий для выборок оценивали по U-критерию Манна-Уитни (U-test).

Результаты и обсуждение

Содержание урана в исследованных образцах почв варьировало в пределах 0.83-1.65 мкг/г (табл. 1), что до 1.5 раз превышало его концентрации, характерные для фоновых аллювиальных почв региона [11]. Доля радиоактивного элемента, переносимая в надземную часть растений, была относи-

Таблица 1

Показатели аккумуляции урана разными видами растений

Indicators of uranium accumulation by different plant species

Table 1

Содержание U в почве, мкг/г	Содержание U в растениях, мкг/г		Коэффициенты накопления (КН)		КП (Надземная часть/ корневая часть)
	Корневая часть	Надземная часть	Корневая часть / почва	Надземная часть / почва
Канареечник тростниковидны				й
1.60±0.23	0.07±0.01	0.02±0.003	0.05±0.008	0.01±0.001	0.30±0.04
1 47±0.19	0.08±0.02	0.01±0.001	0.05±0.006	0.01±0.001	0.17±0.03
1.32±0.19	0.06±0.01	0.01±0.001	0.05±0.007	0.01±0.001	0.18±0.03
Осока острая
1 33±0.18	0.09±0.01	0.03±0.002	0.07±0.01	0.02±0.03	0.32±0.03
0.83±0.12	0.08±0.01	0.03±0.002	0.10±0.02	0.04±0.006	0.37±0.05

Канареечник           Осока острая тростниковидный

Рис. 1. Содержание урана в корневой и надземной частях растений.

Fig. 1. The content of uranium in the root and aboveground parts of plants.

ний.

Fig. 2. The content of radium-226 in the root and aboveground parts of plants.

тельно невысокой и соответствовала КН (надземная часть / почва), изменяющимся в пределах 0.01-0.04.

Для всех исследованных образцов растений было характерно более высокое содержание U в их корневой части (рис. 1). Различия достоверны и в случае канареечника, и в случае осоки (U-test, р<0.01). Коэффициенты перехода КП (корень / над земная часть) урана изменялись в пределах 0.17-0.37. Это свидетельствует о том, что основная доля урана, вовлекаемого в процесс биологического поглощения канареечником и осокой, накапливается в корневой части растений, и только до трети общего содержания радионуклида в исследуемых видах переходит в надземную биомассу.

Содержание радия-226 в исследуемых пробах почв варьировало от 1.82 до 37.6 Бк/г, что превышало соответствующий показатель для типичных аллювиальных пойменных почв [11]. Поступление радионуклида из этих образцов в надземную часть растений было сравнительно слабым. Так, КН в надземной части относительно почвы для канареечника составили 0.02-0.03, для осоки - 0 007 и 0.12. Значительная вариация КН в случае осоки связана с большим различием содержаний радия в исследуемых почвенных образцах. Как правило, мобильность и биологическая доступность радионуклида с ростом его концентрации в почве снижаются, что может отражаться на показателях его накопления растениями.

Подобно урану, содержания радия в корневой части растений были значительно выше (U-test, р<0.01), чем в его надземной биомассе (рис. 2). Если в случае канареечника КП (надземная часть / корень) варьировали от 0 18 до 0.29, то в случае осоки их абсолютные значения оказались заметно меньше и изменялись от 0.08 до 0.10. При этом накопление радия в корнях растений относительно почвы было более высоким в сравнении с ураном. В случае осоки содержание радия в корневой части в одном из случаев достигало значений, соответствующих его содержанию в почве (табл. 2).

Таблица 2

Показатели аккумуляции радия-226 разными видами растений

Indicators of radium-226 accumulation by different plant species

Table 2

Содержание Ra-226 в почве, Бк/г	Содержание Ra-226 в растениях, Бк/г		Коэффициенты накопления (КН)		КП (надземная часть/ корневая часть)
	Корневая часть	Надземная часть	Корневая часть / почва	Надземная часть / почва
Канареечник тростниковидный
2.20±0.27	0.22±0.03	0.05±0.003	0.10±0.03	0.02±0.002	0.23±0.03
1.96±0.21	0.28±0.04	0.05±0.004	0.14±0.03	0.03±0.004	0.18±0.2
1.82±0.19	0.17±0.01	0.05±0.003	0.10±0.02	0.03±0.004	0.29±0.03
Осока острая
2.61 ±0.26	2.98±0.30	0.30±0.04	1 14±0.15	0.12±0.04	0.10±0.03
37.6±4.22	3.52±0.34	0.28±0.03	0.10±0.02	0.007±0.002	0.08±0.005

Известно, что по способности к накоплению радионуклидов, равно как и других химических элементов, различные виды растений сильно отличаются. Среди них специалисты обычно выделяют такие группы, как концентраторы металлов, индикаторы и эксклюдеры [12]. На свойстве растений накапливать металлы в высоких концентрациях в надземной части основана одна из методик фитодезактивации загрязненных территорий - фитоэкстракция [3]. Концентраторы (гиперконцентраторы) способны аккумулировать повышенные количества металлов в растительной ткани. В отношении урана таковым является подсолнечник (Helianthus annuus) [13, 14]. Известно, что хорошими аккумуляторами этого радиоактивного элемента являются наземные и водные мхи, лишайники [15, 16] и некоторые виды древесно-кустарниковой растительности. Во многом это связано с тем, что уран относится к элементам акропетального типа распределения, т.е. сравнительно более интенсивно накапливается в старых и многолетних органах и тканях растений [17]. Радий-226 также хорошо аккумулируется древесными и кустарничковыми видами растений, мхами, в меньшей степени - травами [18].

Согласно полученным данным, исследуемые нами виды растений нельзя считать концентраторами радионуклидов. Относительно низкие КН (надземная часть / почва), характеризующие канареечник тростниковидный и осоку острую, не позволяют их отнести к группе растительных организмов, способных выносить значительные количества урана и радия-226 на дневную поверхность. Как следствие, эти виды не представляется возможным использовать в качестве фитоэкстрагентов радионуклидов. Хотя перспективы использования канареечника в качестве фитоэкстрагента для некоторых микроэлементов, в основном за счет его большой биомассы, в литературе обсуждаются [19].

Наряду с концентраторами существует группа растений - фитостабилизаторов, в которых содержание металлов сравнительно ниже их содержания в среде произрастания. Несмотря на то, что эти растительные организмы обладают низким потенциалом извлечения металлов, они могут быть эффективны для целей стабилизации состояния металлов в почвах посредством сорбции корнями, осаждения, комплексообразования или снижения их валентности (подвижности) в ризосфере [3, 20]. Такие виды способны накапливать металлы из за грязненного субстрата корнями, но транспорт поллютантов и их проникновение в надземную биомассу ограничены [3]. Так, согласно А.Л. Ковалевскому [21], накопление урана на поверхности корней обусловлено переходом в восстановительной среде растворимых соединений U(VI) в нерастворимое состояние соединений U(IV). Часть урана при этом выделяется в почве в прикорневой зоне соответствующих растений в виде вторичных минералов. В целом же, пониженная подвижность радиоактивного элемента в растительной ткани может быть связана с тем, что он имеет тенденцию сорбироваться на клеточных стенках, поэтому его концентрация в подземной части растения обычно выше [14].

Анализ данных литературы показывает, что канареечник тростниковидный является хорошим фитостабилизатором в отношении нескольких микроэлементов. Так, по мнению авторов [20], растение представляет интерес для фитостабилизации загрязнений, связанных с такими металлами, как Со и Cd. Доказано, что лишь небольшая часть микроэлементов, захваченных корнями канареечника, попадает в его стебли и листья. Во всех исследованных нами образцах канареечника и осоки корни также выступали барьером для перехода урана и радия в надземные части растений. Барьерная роль корневой системы в случае накопления радия в исследованных растениях проявилась значительнее, чем для урана. Оба изучаемых вида, канареечник тростниковидный и осока острая, представляют собой крупные многолетние растения и имеют хорошую биомассу как в надземной, так и в корневой частях. Учитывая распространенность этих видов растений на исследуемом участке, можно утверждать, что они вносят заметный вклад в стабилизацию урана и радия в почве. Особенно это важно в случае осоки, которая произрастает в пойме на заболоченной части участка. Высокая степень накопления радионуклидов, в частности радия, в ее корневой системе будет способствовать не только снижению миграционной способности поллютантов, но и препятствовать рассеянию и выносу компонентов радиоактивного загрязнения в речную систему.

Заключение

Реабилитация территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению, является сложным и многозатратным процессом, тесно связанным с проблемами перераспределения радионуклидов в биогеохимических циклах их миграции. Одним из направлений для снижения вероятности возникновения и уменьшения остроты подобных экологических проблем является стабилизация радиоэкологического состояния территорий посредством использования растений-фитостабилизаторов радионуклидов в почве. Результаты исследования аккумуляции урана и радия-226 канареечником тростниковидным и осокой показали слабое концентрирование радионуклидов в надземной части растений. В то же время накопление радиоактивных элементов в корневой системе растений, которая выступала барьером для перехода радионуклидов в их надземные части, было значительно выше. В целом, полученные результаты свидетельствуют о том, что канареечник и осока способствуют стабилизации урана и радия-226 в радиоактивно загрязненной пойменной аллювиально-луговой почве и, вследствие этого, перспективны для дальнейшего изучения с целью использования при реабилитации нарушенных территорий. Анализ результатов проведенного исследования в совокупности с данными литературы указывает на фиторемедиационный потенциал растений этих видов в отношении некоторых других токсичных микроэлементов, содержание которых в почве исследуемой загрязненной территории также повышено [7].

Исследования выполнены в рамках госза-дания Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН № 0414-2018-0002 с частичной поддержкой гранта РФФИ и Правительства Республики Коми № 20-45-110009 р_а.