Интенсивность накопления радионуклидов в биомассе водных растений реки Енисей

Река Енисей – основная водная артерия Красноярского края, по водности занимает первое место в России и является одной из крупнейших рек мира. На берегу реки вблизи г. Железногорска расположен Горно-химический комбинат (ГХК) Росатома, многолетняя деятельность которого привела к радиоактивному загрязнению поймы реки и гидробионтов [1-5]. В апреле 2010 г. на ГХК был остановлен последний ядерный реактор АДЭ-2 – один из источников поступления техногенных радионуклидов в р. Енисей. Кроме реактора в р.Енисей осуществляются технологические сбросы радиохимического завода и других производств ГХК. Высшие водные растения являются важным компонентом водных экосистем и обладают способностью активно накапливать радионуклиды, в том числе трансурановые элементы, в своей биомассе, что позволяет их использовать для биомониторинга и биоремедиации [2-6].

Цель работы : оценить интенсивность накопления радионуклидов техногенного происхождения в биомассе водных растений р.Енисей, отобранных в период действия ядерного реактора ГХК (до 2009 г.) и после его остановки (2010 г.).

Материалы и методы. С 1999 по 2010 гг. во время экспедиционных исследований отбирали пробы воды и водных растений р. Енисей как вблизи ГХК (около сел Атаманово и Усть-Кан), так и на расстоянии до 250 км по течению реки от ГХК (вблизи сел Каргино и

Стрелка). В качестве контроля отбирали пробы растений выше по течению от ГХК. Растения после отбора промывали речной водой и разделяли на виды. В данной работе исследовали образцы водной растительности 4 видов: Fontinalis antipyretica (водный мох), Potamo-geton lucens (рдест блестящий), Batrachium kauffmanii (шелковник) и Elodea сanadensis (элодея). Отобранная биомасса каждого вида растений разделялась на 2 части, одна из которых высушивалась и измерялась на содержание радионуклидов, а другая (сырая биомасса) – подвергалась химическому фракционированию [5-6]. Использованный метод последовательного химического фракционирования применяется для изучения распределения (прочности связывания) радионуклидов с биомассой растений [5-6]. Радионуклиды, находящиеся в обменной фракции, отделяли в результате обработки биомассы раствором CH 3 COONH 4 (1M) в течение суток. Для определения нуклидов, находящихся в адсорбционной фракции, биомассу растений обрабатывали 0,1М раствором HCl в течение 20 мин. Радионуклиды, оставшиеся в биомассе после указанных выше обработок, считались прочно связанными со структурами растений. Далее, методом «мокрого сжигания» с использованием H 2 O 2 (30%) и HNO 3 (конц.) разделялись радионуклиды, содержащиеся в органических соединениях и минеральном остатке биомассы. Дополнительное фильтрование обменной фракции через фильтр с размером пор 3 мкм позволило отделить внеклеточные частицы, прикрепленные к поверхности растений и проанализировать их отдельно (органо-минеральный осадок обменной фракции). В сухой биомассе макрофитов, в полученных химических фракциях биомассы и органо-минеральном осадке определяли активность γ-излучающих радионуклидов на гамма-спектрометре фирмы

«Canberra» (США) со сверхчистым германиевым детектором. Обрабатывали γ-спектры с помощью программного обеспечения Canberra Genie-2000 (США). Результаты приведены на дату отбора проб.

Результаты исследования. В табл. 1 приведены сравнительные данные по активности γ-излучающих радионуклидов в F.antipyretica и P.lucens , отобранных в р.Енисей в период действия реактора ГХК (1999-2009 гг.) и через несколько месяцев после его остановки (2010 г). До остановки реактора ГХК (до 2009 гг.) в погруженных макрофитах р. Енисей было обнаружено более 20 техногенных радионуклидов с удельной активностью от десятков до тысяч Бк/кг [2-5]. Среди исследованных видов макрофитов F.antipyretica показал наибольшую аккумулирующую способность по отношению к техногенным радионуклидам [2-4]. Анализ проб макрофитов через 4-6 месяцев после остановки реактора в 2010 г. показал значительное снижение активности большинства техногенных радионуклидов по сравнению с предыдущими годами. Так, активность короткоживущих радионуклидов реакторного происхождения (с периодами полураспада до 1 месяца – ²⁴Na, ⁵¹Cr, ²³⁹Np) в биомассе стала ниже пределов обнаружения (54Mn, ⁶⁵Zn, ⁵⁸Co, ⁴⁶Sc) снизилась в десятки раз по сравнению с предыдущим периодом времени. Удельная активность долгоживущих радионуклидов (с периодами полураспада более одного года), например в водном мхе, в 2010 г. сократилась всего в 2-10 раз по сравнению с предыдущим периодом времени.

Радионуклиды техногенного происхождения ранее регистрировались в биомассе растений не только вблизи ГХК, но и на расстоянии до 250 км от ГХК по течению реки [2-4]. В пробах рдеста блестящего, собранных в 2010 г. на расстоянии до 250 км от ГХК, было зарегистрировано до 10 техногенных радионуклидов, в том числе 60Co, 65Zn, 137Cs и 152Eu с удельной активностью до 6 Бк/кг. Выше по течению от ГХК в водных растениях регистрировался только один техногенный радионуклид глобального происхождения 137Cs и его активность не превышала 2 Бк/кг [4].

Метод химического фракционирования позволяет получить данные о характере распределения радионуклидов по отдельным фракциям биомассы водных растений. Радионуклиды в обменной и адсорбционной фракциях в основном находятся на поверхности биомассы, а радионуклиды в органической фракции и минеральном остатке прочно связаны со структурами биомассы. На рис. 1 в качестве примера показано ранжирование радионуклидов по прочности связывания в биомассе водного мха. Было показано, что 40K и 54Mn преимущественно накапливаются на поверхности водных растений и слабо связаны с их биомассой, 152Eu и 137Cs были прочно связаны с биомассой растений и находились, преимущественно, в составе минеральной фракции. Радионуклиды 7Be, 65Zn и 60Co в основном равномерно распределялись между фракциями поверхности и биомассы.

Таблица 1. Максимальная удельная активность (Бк/кг± sd ) техногенных радионуклидов в биомассе водного мха ( F.antipyretica ) и рдеста блестящего ( P.lucens ), отобранных в разные годы вблизи ГХК (с. Атаманово).

У водного мха и рдеста наблюдалось схожее распределение радионуклидов по фракциям биомассы. В биомассе шелковника и элодеи распределение отдельных радионуклидов отличалось от вышеупомянутого. Так, у шелковника большая часть 60Co и 137Cs находилась на поверхности растения, а распределение 54Mn варьировало от прочносвязанного до равномерно распределенного. В пробах элодеи 7Be и 60Co находились на поверхности растения, а 137Cs распределялся равномерно между фракциями поверхности и биомассы. Было показано, что распределение радионуклидов в биомассе отдельных видов макрофитов р. Енисей варьировало в течение вегетации. Так, у рдеста блестящего доля прочносвязанного 137Cs снизилась на 50% с августа по октябрь.

Таблица 2. Удельное содержание радионуклидов (Бк/кг± sd) в пробах рдеста блестящего ( P.lucens ), отобранных в 2010 г на разном расстоянии от ГХК.

Рис. 1. Ранжирование радионуклидов по прочности связывания в биомассе водного мха (вариации с августа по октябрь 2010 г.): 1 – слабо связанные с биомассой радионуклиды (доля связанных с биомассой - менее 30%); 2 – равномерно распределенные в биомассе радионуклиды (от 30 до 70%); 3 – прочно связанные с биомассой радионуклиды (более 70%).

Гамма-спектрический анализ органоминерального осадка обменной фракции показал, что его радионуклидный состав был различен у разных видов макрофитов, а также варьировал в зависимости от месяца отбора растений. Этот осадок может представлять собой организмы перифитона, а также минеральные частицы донных отложений. Для проверки источника происхождения осадка, были рассчитаны соотношения активностей радионуклидов 137Cs/60Co/152Eu в осадке разных видов макрофитов. Исследования показали, что по вышеотмеченному соотношению радионуклидов органо-минеральный осадок биомассы водного мха (по всем месяцам отбора) наиболее близок к пробам донных отложений. Вариабельность состава осадка рдеста блестящего и шелковника по месяцам отбора свидетельствует о наличие как частиц донных отложений, так и организмов перифитона.

Выводы:

• 1.    До остановки реактора ГХК (до 2009 г.) в погруженных макрофитах р. Енисей было обнаружено более 20 техногенных радионуклидов с удельной активностью от десятков до тысяч Бк/кг. Максимальное содержание радионуклидов зарегистрировано в водном мхе Fontinalis antipyretica . После остановки реактора в 2010 г. активность короткоживущих радионуклидов реакторного происхождения (с периодами полураспада менее года) в биомассе макрофитов снизилась в десятки и более раз по сравнению с предыдущим периодом времени. Удельная активность долгоживущих радионуклидов (с периодами полураспада более года), например в водном мхе, сократилась всего в 2-10 раз по сравнению с предыдущим периодом времени. В пробах рдеста блестящего ( Potamogeton lucens ) 2010 г., собранных в р. Енисей на расстоянии до 250 км от ГХК были зарегистрированы до 10 техногенных радионуклидов, в том числе ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ¹³⁷Cs и ¹⁵²Eu.

• 2.    Последовательное химическое фракционирование водных растений р. Енисей показало, что у водного мха и рдеста блестящего наблюдалось схожее распределение радионуклидов по фракциям биомассы: ⁴⁰К и ⁵⁴Mn находились на поверхности растений или были слабо связаны с биомассой; ¹³⁷Сs и ¹⁵²Eu были прочно связаны с биомассой; ⁷Be, ⁶⁵Zn и ⁶⁰Co равномерно распределены между фракциями поверхности и биомассы. Для отдельных видов регистрировались изменения в распределении радионуклидов в биомассе в течение вегетации. Радионуклидный состав органо-минерального осадка на поверхности водных растений свидетельствует о наличии как частиц донных отложений (преимущественно у водного мха), так и организмов перифитона.