Влияние радионуклидов 137Cs и 90Sr на микробное сообщество почв территории объекта подземного ядерного взрыва «Кратон-3» (Якутия)

Радиационная обстановка на территории Республики Саха (Якутия) складывалась на протяжении десятилетий как следствие глобального загрязнения природной среды продуктами ядерных взрывов, проводившихся на полигонах планеты и аварий атомной энергетики. Пик радиоактивных выпадений на территорию Якутии пришелся на 1961–1969 годы, из них более всего на 1963 год, когда наблюдалось 595 случаев проб осадков с повышенной радиоактивностью. Наибольшее их количество было зарегистрировано в следующих районах: Оймяконском – 37 случаев; Верхнеколымском, Алданском, Булунском – 32 случая; Нерюнгрин-ском – 28 случаев; Усть-Янском, Среднеколымском – 27 случаев. При этом максимальное значение радиоактивных выпадений равнялось 1779,3 Бк/км2 в сутки [1].

В период с 1974 по 1987 годы на территории республики было проведено двенадцать мирных подземных ядерных взрывов, один из которых, «Кратон-3», проведенный с целью глубинного сейсмического зондирования осадочного чехла земной коры, стал аварийным, с выбросом в атмосферу и на поверхность почвы радиоактивных продуктов распада.

Объект подземного ядерного взрыва (далее – ПЯВ) «Кратон-3» находится в пределах Верхневилюйско-Моркокинского района северо-таежной подзоны мерзлотно-таежной области бореального пояса Восточной Сибири, характеризующегося непрерывной криолитозо- ной [2], в 40 км восточнее от поселка Айхал, на правом берегу реки Марха (левый приток реки Вилюй), в 160 м от уреза воды (рис. 1-2).

| Удачный "б7

-Юр*!^

. 608

п. Айхал t Jr» <">0J О19р^>оель

«Кратон-3»

Рис. 2. Общий вид саркофага «Кратон-3»

Максимальная глубина сезонного протаивания или мощность сезонно-талого слоя здесь составляет 0,6 м - для торфа, 1,0 м - для супесей и суглинков и 2,0 м - для песков [3].

«Боевая» скважина имеет координаты 65°55 ' 31,6"' северной широты, 112° 19 ' 57,8" восточной долготы; абсолютная высота точки ее заложения над уровнем моря - 308,99 м.

В гидрогеологическом отношении район ПЯВ «Кратон-3» относится к Оленекскому криоартезианскому бассейну [4].

В пределах объекта разделяются следующие типы: надмерзлотные воды сезонноталого слоя подрусловых и подозерных таликов, нижнеордовикский межмерзлотный (ол-дондинская свита), верхне- (моркокинская и мархинская свита), средне- (чукукская свита) и нижнекембрийские подмерзлотные водоносные комплексы [5; 6].

Геологический разрез до глубины 12-14 м представлен аллювиальными отложениями четвертичной системы (Q III ³⁺⁴-Q IV ), песками с примесью гальки и суглинками. Ниже, до глубины 252-270 м, залегает толща чередования известняков и аргиллитов нижнего ордовика, расчленяемая на сохсодохскую (O 1 shs), олдондинскую (O 1 ol) и моркокинскую (O 1 mrk) свиты. Нижняя часть исследованного разреза до глубины 584 м сложена известняками с прослоями доломитов и аргиллитов верхнего кембрия (Є 3 ). В интервале 165-185 м встречен водопоглощающий горизонт [6; 7; 8].

Основными типами почв обследуемой территории являются дерново-карбонатные и перегнойно-карбонатные почвы, формирующиеся на элювиоделювии карбонатных пород - доломитов и известняков [9; 10]. Карбонатные отложения характеризуются спокойным гамма-фоном, с колебаниями уровня радиоактивности в пределах 4-7 мкр/ч [11].

Первые дезактивационные работы на промплощадке объекта «Кратон-3» были проведены в 1981 году по проекту ВНИПИ промтехнологии (г. Москва). Над устьем шахты насыпан холм почвы высотой 3 м с запрещающим знаком-репером. Хранилище захороненных объектов и приустьевая площадка были обвалованы насыпью высотой до 1 м.

В 1993 году на участке радиоэкологической экспедиции «Марха-93» были заложены опыты с природным цеолитом месторождения Хонгуруу (Сунтарский район, Западная Якутия) в качестве защитного барьера. Было установлено, что якутский минерал способен сорбировать и накапливать радионуклиды, что согласуется с данными [12] по изучению сорбционных свойств цеолитов клиноптилолитового типа [13]. Экспедиция наряду с изотопами Cs и Sr обнаружила на объекте «Кратон-3» присутствие 60Со, 137Сs, Рu и 125Sb в количествах, превышающих глобальные уровни многократно. В частности, в лишайнике, полученном из сухостойного леса вблизи оси следа, содержание 239, 240Pu достигало уровня 7 400 Бк/кг при 2,7 Бк/кг в контрольной зоне [7].

С тех пор на объекте проведено около тридцати научно-исследовательских, радиоэкологических и мониторинговых работ.

Результаты комплексного обследования объекта ПЯВ «Кратон-3» в течение нескольких лет показали [3; 9; 10; 13; 14; 15; 16; 17]:

• 4-    на промплощадке ПЯВ «Кратон-3», где в 1981 году была удалена почва с растительностью и часть грунта, отчетливо просматривается закономерность распределения максимального загрязнения по оси радиоактивного следа с убыванием к периферии;

• 4-    уровни загрязнения почвы ¹³⁷Сs, ⁹⁰Sr и ^{239, 240}Pu превышают уровни глобальных на 2-4 порядка;

• 4-    общий запас ⁹⁰Sr на объекте «Кратон-3» значительно преобладает (в 2-3 раза) над ¹³⁷Cs;

• 4-    детальной радиометрической съемкой на промплощадке ПЯВ «Кратон-3» выявлено два локальных пятна загрязнения с высокими уровнями гамма-излучения, один из которых находится непосредственно около устья скважины, где уровень гамма-излучения максимально достигает 125 мкР/ч, второй - в 150 м от устья на север с двумя максимумами: 230 и 250 мкР/ч;

• 4-    на объекте «Кратон-3» существенные уровни загрязнения поверхностных слоев почвы и сосудистых растений обнаружены также и на площадке зоны рекультивации. При этом на одном из участков запас ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в почве в 2 000 раз превышает глобальный уровень загрязнения;

• 4-    на территории сохраняется радиационное загрязнение, и необходимо проведение работ по задержке миграции радионуклидов.

В 2007-2008 годах экологическим отрядом Института проблем нефти и газа СО РАН были проведены экспедиционные работы в целях проведения мониторинга на путях возможной миграции радионуклидов 137Cs и 90Sr из саркофага «Кратон-3» и возведения девяти дополнительных защитных геохимических барьеров на основе цеолитового сырья месторо- ждения Хонгуруу.

С целью создания почвенно-растительного покрова на площадке могильника были заложены два участка с высевом семян пырейника сибирского (Clinelymus sibiricus) . В одну из делянок семена высевались без сорбентов и удобрений, в другую - высев многолетника проведен после внесения цеолита, фракцией 1-8 мм и комплексного удобрения «Хонгурин», разработанного сотрудниками ИПНГ СО РАН [18]. Таким образом, на пути миграции радионуклидов был поставлен двойной заслон в виде сорбента из цеолитового сырья, а пырейник сибирский будет служить экранирующим материалом, обеспечивающим аккумуляцию питательных веществ в дерновом слое [19].

Через год в экспериментальном участке с внесением цеолита и хонгурина появился устойчивый травостой. Результаты первого опыта создания почвенно-растительного покрова на территории объекта ПЯВ «Кратон-3» показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Посев семян в участок с цеолитом и хонгурином

Рис. 4. Результат высева семян через год: А - участок с цеолитом и хонгурином; Б – только семена

В 2008 году впервые были исследованы почвы и грунты территории ПЯВ «Кратон-3» на микробиологические показатели. В качестве контроля проанализированы «фоновочистые» почвы лесного массива поселка Айхал и города Якутска.

Пробы почвогрунтов отбирались пробоотборником Эйдельмана продукции фирмы EIJKELKAMP в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-8 [20; 21]. Радиометрическое измерение мощности гамма-излучения проводилось в соответствии с общепринятой мето- дикой с использованием радиометра СРП-68-01 № 3189 [22]. Культивирование и идентификацию микроорганизмов проводили согласно ГОСТам и общеизвестным утвержденным методическим пособиям [23-25].

Исследования показали, что миграция радионуклидов на объекте продолжается. За 14 лет цеолит адсорбировал 137Cs на уровне 63,7 ± 7 и 90Sr - 26 400 ± 5 300 Бк/кг [26]. Все ис- следованные почвогрунты ПЯВ «Кратон-3» имели сильную щелочную реакцию среды и невысокую влажность. Общая микробная численность (ОМЧ) в почвах исследуемого объекта мало отличалась в разных образцах и составляла от 2-3 до 617 тыс. колонии образующих единиц (КОЕ) на 1 г абсолютно сухого веса (АСВ) почвы, что в 3-4 раза меньше, чем в контрольных образцах «фоново-чистых» лесных почв (табл. 1).

Выборочная характеристика почвенных образцов Таблица 1 № образца Площадка контрольного отбора проб рН почв АСВ почв, г Влажность почв, % ОМЧ тысяч КОЕ /г АСВ МЛ-1 ПЯВ «Кратон-3», зона сухостойного леса 8,61 0,753 24,7 2,33 МЛ-3 ПЯВ «Кратон-3», зона сухостойного леса вблизи берегового склона реки Марха 8,53 0,789 21,1 29,90 Ф-2 ПЯВ «Кратон-3», левый берег ручья Безымянный 8,46 0,476 52,4 617,52 К-1 Лесная зона, пос. Айхал, Мирнинский район 7,32 0,508 49,2 30661,30 К-2 Лесная зона, г. Якутск (Вилюйский тракт) 7,24 0,432 56,8 863117,00 Исследованные почвогрунты объекта содержат грибы и бактерии, способные сорби- ровать радиоактивные вещества, что послужило началом проведения новых испытаний по изучению возможности использования микроорганизмов в качестве сорбентов для переработки радиоактивных отходов.

В целом почвы исследуемой территории по микробиологическим показателям расцениваются как бедные. Видовой состав почвенной микрофлоры объекта не отличается разнообразием и значительно уступает таковым в контрольных «фоново-чистых» почвах (таб.

Таблица 2

Установленные популяции почвенных микроорганизмов

Выделенная микрофлора №

образца	Порядок	Семейство	Род	Вид
	Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	agglomeratus
МЛ-1	Eubacteriales	Pseudomonadaceae	Pseudomonas	pseudoalcaligenes
	Actinomycetаles	Micrococcaceae	Sarcina	sp.
МЛ-3	Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	agglomeratus

Eubacteriales	Pseudomonadaceae	Pseudomonas	pseudoаlcaligenes
Eubacteriales	Moraxellaсеае	Moraxella	spp.
Actinomycetаles	Micrococcaceae	Sarcina	sp.
Mycota	Ascomycetes	Penicillium	sp.
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	мycoides
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	agglomeratus
Eubacteriales	Enterobacteriaceae	Enterobacter	aerogenes
Ф-2           Eubacteriales	Streptococcaceae	Enterococcus	faecium
Cryptococcales	Cryptococcaceae	Torulopsis	rhodotorula
Mycota	Ascomycetes	Penicillium	sp.
Actinobacteriales	Actinobacteria	Rhodococcus	sp.
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	мycoides
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	agglomeratus
Eubacteriales	Enterobacteriaceae	Enterobacter	aerogenes
Eubacteriales	Streptococcaceae	Enterococcus	faecium
К-1            Eubacteriales	Bacillacae	Clotridium	sp.
Eubacteriales	Moraxellaсеае	Moraxella	spp.
Mycota	Ascomycetes	Penicillium	Sp
Mycota	Ascomycetes	Aspergillus	albus
Actinobacteriales	Actinobacteria	Rhodococcus	sp.
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	мycoides
Eubacteriales	Bacillacae	Bacillus	subtilis
Eubacteriales	Bacillacae	Clotridium	sp.
Eubacteriales	Pseudomonadaceae	Pseudomonas	fluorescens
Eubacteriales	Pseudomonadaceae	Pseudomonas	alcaligenes
К-2            Eubacteriales	Enterobacteriaceae	Klebsiella	oxytoca
Eubacteriales	Streptococcaceae	Enterococcus	faecium
Mycota	Ascomycetes	Aspergillus	albus
Mycota	Ascomycetes	Aspergillus	niger
Mycota	Ascomycetes	Penicillium	sp.
Mycota	Нуросгеасеае	Trichoderma	viride
Качественный состав	почвенной микрофлоры,	представленный	на территории ПЯВ

«Краток-3» спорообразующими бактериями рода Bacillus и неферментирующими бактериями рода Pseudomonas, указывает на вялую биодинамику со слабо протекающими минерали- зационными процессами.

При длительной миграции радионуклидов в почве объекта происходят количественные и качественные перестройки между отдельными группами микроорганизмов.

Кроме того, возможно, что микрофлора, сорбирующая радионуклиды, оказывает отрицательное влияние на здоровье людей, поскольку в условиях Севера широкое распространение в кормовом рационе оленей имеют лишайники и мхи, повсеместно произрастающие на прилегающей территории к ПЯВ «Кратон-3».

В результате загрязнения слоев почвы сорбированные микроорганизмами радионуклиды поступают в корневые части растений, а через корни - в листья и стебли. В этом случае сообщество почвенных микроорганизмов на территории объекта – важное кормовое звено растительного и животного мира в пищевой цепочке и основной путь поступления радионуклидов в организм животных и человека.

Таким образом, наличие радиоэкологической цепочки «почва – растения – олень -человек» обуславливает радиационную обстановку региона.

С целью определения возможного неблагопрятного влияния 137Cs и 90Sr на растения проведено биотестирование почв на семенах районированного сорта пшеницы «Прилен-ская-6».

Установлено, что почвы и их водные вытяжки исследуемого объекта фитотоксичны. Подавляют всхожесть семян. Задерживают рост растений (табл. 3).

Таблица 3

Результаты биотестирования

Параметры биотестирования

Место отбора проб	Исследуемый материал	Процент всхожести	Длина корня,	Длина стебля,	Количество листьев на
		семян	см	см	стебле
«Кратон-3»,	Почва	4	5 ± 1	7	1
зона мертвого леса	Водная вытяжка	4	3 ± 1	7	1
«Кратон-3»,	Почва	28	5 ± 1	7	1
вблизи берегового склона реки	Водная вытяжка	28	5 ± 1	7	1
Марха
«Кратон-3»,	Почва	8	10 ± 1	8	1
левый берег ручья Безымянный	Водная вытяжка	8	10 ± 1	8	1
Лесная зона, пос. Айхал	Почва Водная вытяжка	96 96	17 ± 2 15 ± 1	20 ± 2 21 ± 1	3 3
Лесная зона,	Почва	90	17 ± 2	21 ± 2	3
г. Якутск (Вилюй-ский тракт)	Водная вытяжка	96	17 ± 2	21 ± 2	3
Вода дистиллированная	Вода	92	18 ± 2	21 ± 2	3

После годичной экспозиции цеолита на ПЯВ «Кратон-3» радиометрические измере- ния зафиксировали рост гамма-излучения в отдельных точках, что свидетельствует о миграции радионуклидов. В них были установлены повышенные уровни удельной активности радионуклида 137Cs, сравнимые с цеолитом, накопившим данный радионуклид за четырнадцатилетний период экспозиции на объекте, где удельная активность по 137Cs составила в отдельных контрольных точках 54,5 Бк/кг [26].

К сожалению, по разным причинам не представилось возможным исследовать повторно почвогрунты на микробиологические показатели и установить способность пырейника сибирского сорбировать радионуклиды после создания травостоя в опытных участках. Данная работа носит информационно-исследовательское значение и служит накопительным материалом для изучения фактологического потенциала радионуклидов 137Cs и 90Sr на мик- робное сообщество, что в будущем позволит оценить степень экологической опасности или безопасности хранилищ радиоактивных отходов и их возможного влияния на здоровье людей, животных и, в целом, окружающей среды в северных широтах.

Проведенными в 2007–2008 годах лабораторно-полевыми экспериментами установлено, что в почвах объекта мигрирующие радионуклиды оказывают интоксикационное действие как на почвенные микроорганизмы, так и на растения. Подавляют всхожесть семян, рост корневой системы и зеленой части проростка.

Поскольку ксенобиотики не перерабатываются ферментными системами организмов, а значительная часть токсинов еще до поступления в организм превращается в канцерогенные либо мутагенные вещества, то негативное влияние радионуклидов на растения требует дальнейшего изучения.

Исследования способности бактерий и грибов сорбировать радионуклиды позволят в дальнейшем использовать микроорганизмы в качестве сорбентов для переработки радиоактивных отходов.

Необходимо также расширить мониторинговые наблюдения на «ближнем следе» распространения радиационного загрязнения, а также опробование водотоков и грунтовой воды, особенно на пониженных участках, где возможна основная миграция талых снеговых и дождевых вод.

Работа выполнена при финансировании Государственного контракта № 10 от 2 мая 2007 года «Разработка технологии строительства защитного геохимического барьера на основе цеолита месторождения «Хонгуруу» на объекте ПЯВ «Кратон-3» при поддержке Министерства охраны природы Республики Саха (Якутия).