Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах

Актуальность проблемы. Явление искусственной радиоактивности в природе прослеживается с начала первых ядерных испытаний в 50-х годах и до настоящего времени. По степени значимости, основным источником антропогенной радиоактивности океана являются выпадения в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере и под водой. Затем следуют сбросы сточных вод европейских и сибирских предприятий по переработке ядерного топлива и Чернобыльская авария (Поликарпов, 1964, 1971; Поликарпов, Ааркрог, 1993; Шведов, Патин, 1968; Кузнецов, 1971; Израэль и др., 1994; Матишов и др., 1994; Брагинский и др., 1994; Strand et al., 1997). Чернобыльские выбросы обусловили последний характерный пик уровня радиоактивности повсеместно — на суше и на море, в наземных и морских организмах.

К 90-м годам в атмосфере сформировался современный поток глобальных выпадений радиоактивных веществ на земную и морскую поверхность. Эти элементы во взвешенном и растворенном состоянии поступают в моря и океаны. Сегодня ионизирующие частицы в том или ином количестве встречаются в морской воде от поверхности до дна океана. Циркулируя в струях основных течений, искусственные радионуклиды распространяются на многие тысячи километров от источников.

В северных морях и Арктике в течение второй половины XX века типичными были периодические сбросы и захоронения жидких и твердых техногенных радиоизотопов. Определенный фон на акватории Баренцево-Карского региона возникал от курсирующих атомных подводных лодок и ледоколов, которые, в совокупности, были оснащены 180 ядерными реакторами (Nilsen et al., 1996). В результате, антропогенные нуклиды были вовлечены в океанологические и биогеохимические процессы и, тем самым, проникали во все элементы морских экосистем.

В 90-е годы изучение радиоактивного загрязнения арктических морей было в фокусе работ нескольких международных научных программ: Международная программа оценки состояния окружающей среды Арктики (Arctic.

Monitoring Assessment Programme (AMAP)) — Arctic Nuclear Waste Assessment Program (ANWAP) USA NAVY и других. В результате, Отделом военно-морских исследований ВМФ США был опубликован Атлас окружающей среды Арктики (Crane, Galasso, 1999). Это сводная работа по загрязнению, включающая в себя информацию по радиоактивности морской воды и донных отложений. Вместе с тем, до сих пор остаются неизученными интегральные особенности биогеохимического круговорота радионуклидов в рыхлых отложениях и донных биогеоценозах в целом.

Феномен радиоактивного загрязнения имеет глобальный экологический характер и является, в той или иной мере, отрицательным фактором. Радиация воздействует, как изнури, так и снаружи, благодаря концентрированию изотопов в органах и тканях вследствие облучения от источников, находящихся вне организмов животных. Радиоактивные вещества влияют на многообразные морские биоресурсы и человека. Как известно, ионизирующее излучение вызывает в организме морфофизиологические и функциональные изменения (Поликарпов, 1964, 1971; Ильенко, 1974). Поэтому особую актуальность приобретают проблемы радиационной безопасности, экологического нормирования и прогнозирования отдаленных последствий действия малых доз радиации на морскую биоту.

Однако до настоящего времени представление о радиоактивном загрязнении различных видов морской флоры и фауны шельфа носит отрывочный характер. Имеется всего несколько работ (Christensen, Steinnes, 1999) по накоплению 137Cs и 90Sr морскими млекопитающими. Из-за недостатка информации не проводились исследования по миграции радиоизотопов внутри всей экоси-стемной пирамиды и их трансформации по пищевым цепям, от фитои зоопланктона к бентосу, рыбам, птицам, тюленям и китам. Поэтому сегодня среди проблем океанологии особое место занимают вопросы, связанные с радиоэкологией и радиохимией моря.

На протяжении длительного времени, в арктических морях совершенно не изучалось воздействие на организм, популяцию и сообщество гидробионтов глобальных уровней радиоактивного загрязнения среды обитания (воды, грунта). Кроме того, фактически оставались необследованными экосистемы заливов и губ (типа Кольского, Западной Лицы, Сайды, Черной), в которых базируются атомные подводные лодки или производились ядерные взрывы.

Сведения о современном радиоактивном загрязнении морских экосистем необходимы для решения природоохранных вопросов, особенно на локальных акваториях с относительно высокими уровнями искусственных изотопов -137Сб, 134С5, 1341, 1291, 90йг, 238Ри, 239−240Ри, 241 Аш, 60Со. Не менее важны также знания для системы экологической безопасности в случае применения, при нефтегазодобыче на шельфе, атомных энергетических установок, а также при аварийных ситуациях на объектах с атомными реакторами. Все эти меры, безусловно, предполагают изучение тенденций в развитии экологических систем под влиянием слабой радиации и определение стратегии природоохранных мер по сохранению биоразнообразия северных морей.

Данная работа базируется на оригинальных радиоэкологических исследованиях, проводившихся Мурманским морским биологическим институтом в 19 902 000 годах (Рис.1). Разработка проблемы осуществлялась в рамках программ и планов Российской Академии наук, Российского фонда фундаментальных исследований, проектов: «Сравнительный анализ процессов переноса и накопления радионуклидов в Баренцево-Карском и Азово-Черноморском регионах» — «Реконструкция процессов радиоактивного загрязнения экосистем морей Европейской части России» — «Оценка величин миграции искусственных радионуклидов по пищевым цепям морских экосистем» и других. Значительный объем работ был выполнен по международным грантам МАГАТЭ, ТАСИС и другим, например, «Современный уровень радиоактивного загрязнения и оценка риска в прибрежных водах Баренцева моря» (Университет Умео, Швеция).

Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы заключалась в систематизации и обобщении с единых методических и теоретических позиций уникальной базы данных, для того чтобы:

— охарактеризовать закономерности накопления и миграции радионуклидов в среде и биоте;

— разработать основы концепции изменчивости концентраций искусственных радионуклидов в средах с различными физико-химическими характеристиками;

Рис. 1. Географическое положение районов радиоэкологических исследований.

— определить биоокеанологические процессы и явления, вызывающие самоочищение морских арктических и субарктических экосистем.

Основные задачи данного исследования состоят в следующем:

1. Выяснить общие океанографические и биологические условия, способствующие переносу и накоплению радионуклидов в грунтах и биоте морей различных географических зон.

2. Реконструировать динамику (50−90-е годы) радиоактивного загрязнения морской воды с учетом стоков регионального происхождения.

3. Определить роль локальных (местных) источников поступления радиоизотопов в загрязнении заливов (губ) и шельфовых областей.

4. Исследовать состав, количество и закономерности аккумуляции радионуклидов в донных отложениях северных морей.

5. Изучить значение биофильтра пелагиали и бентали (планктон, макрофиты, бентос) в первичном распределении радиоактивной взвеси.

6. Раскрыть принципы биоаккумуляции нуклидов морскими позвоночными животными, уделив особое внимание пищевым цепям, ведущим к человеку: ракообразные и моллюски —> рыбы —" птицы —" тюлени —> киты —> человек.

7. Сформулировать концептуальную модель механизма ассимиляции искусственных изотопов в морских экосистемах.

8. Разработать систему радиоэкологического мониторинга, используя литологические и биологические индикаторы, а также прогноз воздействия слабых доз радиации на промысловые гидробионты.

Научная новизна. Диссертация содержит ряд новых теоретических положений и выводов, разработанных автором лично или в соавторстве с коллегами. Наиболее существенные из них, состоят в следующем:

1. Впервые, в широком фактологическом, географическом и таксономи-чесоком объеме изучена радиоактивность арктических и субарктических морских экосистем, что позволило обосновать новое научное направление — радиационную экологическую океанологию.

2. Положено начало исследованию реальных уровней содержания искусственных радионуклидов в среде и биоте заливов и губ (Черная, Западная Лица,.

Кольский), имеющих радиационноопасные объекты.

3. Представлена классификация прибрежных морских акваторий (заливы, губы, фьорды) по степени загрязнения донного осадка искусственными радионуклидами.

4. Раскрыта важная роль биофильтра пелагиали и прибрежья в процессе самоочищения водоемов и переходе искусственных радионуклидов из воды в донные отложения.

5. Впервые показаны уровни аккумуляции '" Сэ, 908 г, 239 240Ри в различных видах и популяциях морских организмов, особенности миграции радиоизотопов по трофическим цепям — от макрофитов и планктона до зообентоса, рыб, птиц, тюленей и китов.

6. Определен сравнительный вклад глобальных, региональных и локальных источников в радиоактивное загрязнение экосистем Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики.

7. Выявлены тренды в содержании искусственных радионуклидов за период с начала испытаний ядерного оружия до наших дней, дающие основу для прогнозирования экологической ситуации в морях России.

8. В рамках создания радиоэкологической информационной системы, сформулирована методология мониторинга и задачи морской радиоэкологиимониторинг 239,240Ри, как главного облучателя промысловых биоресурсов и в будущем, морских экосистем в целом.

Защищаемые положения:

1. В течение 60−90-х годов в процессе самоочищения водоемов, естественного полураспада |37Сз и 908 г, сокращения сбросов искусственных радионуклидов происходило направленное (на порядок) уменьшение уровня радиоактивности в морских экосистемах Арктики.

2. Главным аккумулятором искусственных радионуклидов в арктических морях стали алевритовые и глинистые отложения подводной окраины материков. Максимальное радиоактивное загрязнение грунтов произошло в 60−70 годы (возраст определялся по 210РЬ).

3.60Со, 134Сз, 239 240Ри, радиоактивные (горячие) частицы повсеместно встречаются на акватории атомных баз, в районах затонувших подводных лодок, в местах подводного захоронения радиоактивных отходов. Такой специфический спектр радионуклидов указывает на существование локальной эмиссии.

4. Механизм самоочищения арктических морских экосистем контролируется явлениями литодинамической и биологической адсорбции, которые происходят в маргинальном фильтре (эстуариях, поясе макрофитов), пелагическом биофильтре, при биоаккумуляции нектоном и орнитофауной.

5. Высокая биологическая продуктивность, в сочетании с термохалинны-ми и гидродинамическими факторами, нейтрализует кумулятивное воздействие радиоактивного загрязнения на морские экосистемы и обуславливает масштабный эффект самоочищения океана.

6. Изменения в видовой, популяционной и трофической структуре морской биоты от действия низких (фоновых) уровней радиоактивности не установлены. Современные концентрации искусственных радионуклидов в промысловых биоресурсах не представляет опасности для человека.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на российских конференциях и совещаниях: 3-й съезд по радиационным исследованиям (Москва, 1997) — «Проблемы безопасности питьевой воды и продовольствия в арктических и субарктических регионах» (Мурманск, 1997) — «Внедрение научных технологий в практику КСФ» (Североморск, 1999) — конференции молодых ученых ММБИ КНЦ (Мурманск, 1994;1999).

На российских международных конференциях: 2-е совещание смешанной Российско-Норвежской группы по сотрудничеству в области охраны морской окружающей среды в Баренцево-Евро-Арктическом регионе (Мурманск, 1994) — «Доступность данных по окружающей среде Арктики в России» (Москва, 1995) — «Современное состояние и перспективы исследований экосистем Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых» (Мурманск, 1995) — «Радиоактивные отходы, хранение, транспортировка, переработка, влияние на человека и окружающую среду» (С.-Петербург, 1996) — «Экологический мониторинг морей Западной Арктики» (Мурманск, 1997) — «Проблемы экосистем заливов, фьордов, эстуариев морей Арктики и юга России» (Ростов-на-Дону, 1998) — международная конференция по промысловой океанологии (С, — Петербург, 1998) — «Управление окружающей средой в Российской Федерации и Мурманской области» (Мурманск, 1998) — «Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивности (Мурманск, 2000) — «Проблемы биологии и геологии в связи с перспективой рыболовства и нефтегазодобычи в Азовском море» (Ростов-на-Дону, 2000);

На международных конференциях, совещаниях и семинарах: «Planning and Implementation of joint research in the European Arctic», (Осло, Норвегия, 1994) — «1-stNordik Marine Sciences meating» (Гетеборг, Швеция, 1995) — «Radioactivity in the environment of the Arctic» (Вудсхолл, США, 1995) — Second International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Осло, Норвегия, 1995) — «Disturbance and recgvery of Arctic terrestrial ecosystems» (Рованиеми, Финляндия, 1995) — «Arctic research planning» (Ганновер, США- 1995) — International Conference on environmental radioactivity (Гамбург, Германия, 1996) — International Symposium on Radioactivity in the environment (Копенгаген, Дания, 1996) — «Risk of radioactive contamination in the Arctic» (Умео, Швеция, 1996) — Third International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Тромсе, Норвегия, 1997) — «Coastal environment management and conservation» (Франция, 1997) — International Conference on environmental radioactivity of ocean «Radoc-97» (Франция, 1997) — International Simposium on Marine Pollution (Монако, 1998) — The 4-th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic (Эдинбург, Шотландия, 1999) — The meeting between the Norwegian Polar Institute and MMBI, (Сванховд, Норвегия, 1999) — OSPAR-Seminar at Svanhovd in Finnmark (Сванховд, Норвегия, 2000);

Практическая значимость: Актуальность изучения антропогенных радионуклидов в морских экосистемах вытекает, как из современных научных, так и из практических запросов. Данная работа является итогом целенаправленных исследований по научным программам Российской академии наук, Министерства науки и технической политики, Российского фонда фундаментальных исследований и других организаций. Полученные в ходе работы аналитические и теоретические результаты использованы при подготовке в 1995 году ОВОС в ТЭО Штокмановского газоконденсатного месторождения для А/О «Росшельф» .

Выявленные радиоэкологические закономерности и разработанная база данных по искусственным радионуклидам широко используется Мурманским, Архангельским, Ростовским областными комитетами по охране окружающей среды и природных ресурсов, службой радиационной безопасности Северного военно-морского флота и Атомфлота, при обосновании и принятии прогнозных и оперативных решений.

Содержащиеся в работе выводы и информация о радиоактивном загрязнении промысловой биоты нашли применение на предприятиях ЗАО «Севры-ба», при определении качества рыбной продукции и других морепродуктов. Изложенные в диссертации теоретические положения были использованы в нескольких учебных пособиях для ВУЗов.

Публикации. Результаты исследований отражены в 80 публикациях, в том числе в 8 монографиях, в 17 статьях в рецензируемых зарубежных и отечественных журналах, 7 препринтах.

Личный вклад диссертанта в исследования, выполненные в соавторстве, заключается в постановке задач, разработке методов сбора первичной информации и формирования базы данных, а также в теоретическом обобщении полученных материалов. Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем основных работ. В 1986;2000 гг. принимал личное участие в организации и выполнении 17-ти комплексных экспедиций в Белое, Норвежское, Баренцево, Печорское, Карское, Азовское, Черное и другие моря, а также в бассейн Северного Ледовитого океана.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы 389 страниц, 36 таблиц, 117 рисунков.

Список литературы

включает 326 наименований, из них 147 на иностранных языках.