Миграция урана-238 в системе почва-растение

Российский Университет Дружбы Народов Экологический факультет Направление: 511 100 «Экология и природопользование»

Кафедра «Радиоэкология»

Султанова Екатерина Фаритовна Квалификационная работа бакалавра Миграция урана-238 в системе почва-растение Научный руководитель: к. б. н. Г. А. Кулиева Заведующий кафедрой: профессор, д. т. н. А. А. Касьяненко Москва, 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ОБЕДНЕННЫЙ УРАН В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ (обзор литературы)

1.1 Применение U238 в военных целях

1.1.1 Пути поступления U238 в организм человека

1.2 Химические свойства U238

1.3 Содержание U238 в почвах

1.4 Поступление U238 из почв в сельскохозяйственные растения

1.5 Мероприятия, ограничивающие накопление U238 в сельскохозяйственных культурах ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Подготовка почвы к закладке опыта

2.2 Внесение U238 в почву

2.3 Метод определения U238 в почве

2.4 Методы определения U238 в растениях

2.4.1 Плазменно-эмиссионный метод определения U238 в растениях

2.4.2 Альфа-спектрометрический метод определения U238 в растениях ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Активность U238 в почве

3.2 Переход U238 из почвы в растения ячменя ВЫВОДЫ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В 1789 году немецким химиком М. Клапротом был открыт уран. Он является тяжелым естественным радионуклидом, принимающий участие в строении земной коры.

В природе уран находится в земной коре, реках, подземных водах в виде различных комплексов и минералов. Концентрация природного урана в почве составляет от 0,1 до 4,7 мг/кг почвы в зависимости от типа почв; концентрация урана в естественных водоемах колеблется от 1 до 100 мкг/л (Дричко, 1983). Однако эти цифры могут резко возрастать вследствие естественного или антропогенного загрязнения земной поверхности.

Загрязнение окружающей среды природным ураном обнаружено в районах выхода на поверхность подземных вод в местах залегания пород с высоким содержанием урана. Также на сегодняшний день известно несколько источников антропогенного загрязнения ураном:

· добыча урана и образующийся урановый след;

· атомная промышленность и ядерная энергетика;

· сельское хозяйство (применение фосфорных удобрений);

· использование радиоактивных снарядов в военных целях.

Загрязнение ураном окружающей среды приводит к повышенному содержанию этого элемента в грунтовых водах и верхних слоях почвы, что может привести к накоплению данного элемента растениями и миграции урана по трофическим цепям. Уран является долгоживущим радионуклидом, период его полураспада составляет 4,5· 109 лет, таким образом, последствия уранового загрязнения могут оказаться крайне тяжелыми. В связи с этим необходимо проведение детального изучения поведения урана в окружающей среде и путей миграции урана по трофическим цепям, в первую очередь на отрезке почва-растение. Поэтому целью данной работы является изучение закономерности поведения U238 в системе почва-растения.

Задачи дипломной работы:

1. изучить и проанализировать литературные данные по поведению обедненного урана в системе почва-растение;

2. изучить методику определения U238 в зерновых культурах на примере растений ячменя.

3. изучить закономерности распределения U238 по органам растений;

4. провести сравнительный анализ 3-х годичных экспериментальных данных по накоплению U238 в растениях;

5. сравнить результаты измерений плазменно-эмиссионного и альфа-спектрометрического методов.

ГЛАВА 1. ОБЕДНЕННЫЙ УРАН В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

1.1 Применение U238 в военных целях Обедненный уран в последнее время широко применяется в военных целях для производства бронебойных снарядов. Одной из основных причин этого является его высокая плотность, которая примерно в 1,5 раза превосходит плотность свинца. Благодаря высокой плотности снаряды с обедненным ураном способны разрушать железобетонные конструкции и военную технику. Кроме этого, обедненный уран — это дешевое сырье, т.к. является отходом производства. На сегодняшний день известно, что обедненный уран применяют кроме США, также Великобритания, Франция и Россия.

Впервые снаряды с обедненным ураном использовались в Ираке в ходе операции «Буря в пустыне» в 1991 году. Оружие, которое применялось, включало сердечники из урана диаметром 120, 105, 30, 25 и 20 мм (рис. 1).

Тогда на территорию Ирака было сброшено в общей сложности 320 тонн вещества. Позднее такие снаряды применялись американской армией на Балканах, в 1995 году — в Боснии и Герцеговине, в 1999 году — против Югославии, где было выпущено свыше 30 тысяч зарядов [16, 17]. В этой стране применялись снаряды с сердечниками диаметром 120, 100, 30 и 25 мм (рис. 1). Такие сердечники входили в состав авиаснарядов и крылатых ракет «Томагавк». Противотанковый урановый сердечник авиационного снаряда, используемый на самолетах А-10, диаметром 30 м содержит 275 г, танковый 120 мм снаряд — 3000 г, 105 мм снаряд М774 — 3364 г, а 105 мм снаряд М833 3668 г урана При ударе такого сердечника о твердое препятствие он разогревается за счет трения до высокой температуры и самовоспламеняется, при этом до 70% его превращается в аэрозоль. Большинство частиц имеют размер менее 5 мкм в диаметре. В процессе взрыва некоторая часть урана окисляется, образуя оксиды U3O8, UO2 (см. приложение 1). Черная урановая пыль при таком взрыве покрывает военную технику и поверхность земли в радиусе до 100 м. Кроме этого, она разносится ветром на большие расстояния в зависимости от его скорости и направления, загрязняя окружающую среду Разнос урановой пыли ветром способствует радиоактивному загрязнению больших территорий. Особая опасность этого загрязнения заключается в том, что сам уран и большинство продуктов его распада являются альфа излучателями, а альфа-излучение при обследовании и оценке радиационной обстановки, как правило, не измеряется и не нормируется.

1.1.1. Пути поступления U238 в организм человека Наиболее существенный вклад в поражение организма в результате воздействия урана вносят ингаляционный и оральный пути поступления.

Сразу после взрыва снаряда, когда урановая пыль находится в воздухе, уран попадает в организм с воздухом в процессе дыхания. Однако после осаждения урановой взвеси, все еще остается высокая вероятность попадания урана в организм человека через легкие. Этот риск существует для людей, работающих непосредственно с почвой, и детей, которые любят играть с землей.

После оседания урановой пыли основным путем поступления урана в организм становиться оральный, т. е. с водой и продуктами питания. При естественном содержании урана в почвах (1−4 мг/кг) поступление урана в организм человека с продуктами питания составляет 1−6 мг/сутки.

Уран, накапливаясь в организме, оказывает двойное негативное влияние: радиационное поражение тканей, приводящее к хронической лучевой болезни и токсическое, характерное для отравления тяжелыми металлами.

В ноябре 2000 г. в Косово была направлена комиссия UNEP, которая посетила 11 мест, где было применено оружие с обедненным ураном. Согласно ее исследованиям концентрация U238 в продуктах питаниях остается в пределах нормы и не вызывает риска для здоровья населения. Ссылку на литературные источники необходимо делать в строгой последовательности — по порядку (1,2,3, и т. д.).

Несколько лет назад в докладе американского армейского Института экологической политики говорилось: «Если обедненный уран проник в организм, он в принципе может привести к определенным медицинским последствиям. Обедненный уран представляет собой опасность и в химическом, и в радиоактивном плане. Персонал, находящийся внутри или рядом с машинами, пораженными боеприпасами с обедненным ураном, может подвергнуться серьезному облучению»

Многие врачи называют обедненный уран — канцерогеном. И этому есть косвенные подтверждения. По заявлению официального Багдада, использование американцами и британцами снарядов из обедненного урана при обстрелах и бомбардировке территорий Ирака привели к заражению территорий и к существенному росту уровня раковых заболеваний (с 4.183 в 1989 году до 6.427 в 1994 году). В последние годы выяснилось, что на особо сильно загрязненных ураном иракских территориях в районе иракского города Басры в 3−4 раза увеличилась частота преждевременных родов, спонтанных абортов, врожденных дефектов новорожденных. Такие же врожденные нарушения (отсутствие глаз, ушей, сращение пальцев и сосудов и т. д.) обнаружились более, чем у 60 процентов детей, родившихся в семьях американских ветеранов «Войны в Заливе» .

Многие балканские миротворцы жаловались на хроническую утомляемость, расстройство зрения, головные боли, бессонницу, импотенцию, заболевания почек и печени, нервно-психические расстройства, потерю волос (см. приложение 2). По сообщению Министерства здравоохранения Боснии, в ее мусульманской части, где применялись урановые боеприпасы, уровень первичных раковых заболеваний увеличился на 51 процент (с 152 случаев на 100 000 жителей в 1999 году до 230 в 2000 году). В тоже время в сербской части Боснии (где не применялись урановые боеприпасы) заболеваемость раком сохраняется на прежнем уровне. По разным данным на начало 2001 года, от раковых заболеваний в Косово погибли около 400 мирных жителей.

Профессор наук по окружающей среде Университета Джексонвилля (США) Дуг Роке, занимаясь исследованием воздействия урана на организм человека, обнаружил, что уран, попадая в организм из воздуха, может вызвать лимфому, нервно-психические расстройства, кратковременные нарушения памяти, быть причиной врожденных уродств в следующих поколениях и нарушать иммунную систему организма.

С другой стороны, попадание большого числа снарядов глубоко в почву, может привести к заражению грунтовых вод и миграции урана по трофическим цепям. В июле 2000 г. НАТО представила в ООН детальную карту Югославии с указанием 112 мест, где были применены боезаряды с обедненным ураном. Наибольшее количество урановых боезарядов было применено на территории Косово.

На территории Югославии в местах проникновения сердечников в земную поверхность было обнаружено повышенное содержание урана. Загрязненная площадь была небольшой — порядка 20×20 см. Концентрация обедненного урана достигала от 10 мг до 18 г урана-238/кг почвы (в незагрязненных почвах концентрация радионуклида составляет порядка 5 мг/кг почвы). По заключению UNEP повышенного содержания урана в растительности не установлено. Однако, согласно проведенным исследованиям югославских ученых распространения урана на территории Югославии в составе пищевых продуктов и в системах «почва-растения-мед», свидетельствуют о присутствии в данных системах урана

1.2 Химические свойства U238

Уран — (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов; атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный Уран состоит из смеси трех изотопов: U238 — 99,2739% с периодом полураспада TЅ = 4,51· 109 лет, U235 — 0,7024% (TЅ = 7,13· 108 лет) и U234 — 0,0057% (TЅ = 2,48· 105 лет) Это химический элемент, обладающий высокой плотностью (19 040 кг/куб.м). В чистом виде он представляет собой белый, блестящий, очень тяжелый металл

Валентность урана — переменная. В растворах наиболее устойчивы соединения шестии четырехвалентного урана. В щелочной среде растворенный уран находится преимущественно в четырехвалентной, а в кислой — в шестивалентной формах. С химической точки зрения представляет собой довольно активный элемент, амфотерный в высшей степени окисления, образующий большое число неорганических и органических соединений. На воздухе он медленно окисляется, в мелкодисперсном состоянии пирофорен. Реагирует с кислотами, особенно в присутствии окислителей, образуя ряд солей, как правило, хорошо растворимых в воде.

Уран (IV) в своих соединениях присутствует в форме U+4. С химической точки зрения ион U4+ является слабым основанием. Он существует лишь в сильнокислых растворах и при понижении кислотности гидролизируется с образованием U (OH)4. Гидроксид U (OH)4 слаборастворим в воде, но хорошо растворяется в кислотах [23,40].

Уран (VI) — наиболее устойчивая степень окисления урана при свободном доступе воздуха. U+6 энергетически неустойчив и в водных растворах мгновенно гидролизуется с образованием комплексного двухвалентного катиона уранила UO22+. Соединения сравнительно хорошо растворимы и устойчивы в водных растворах. Наиболее растворимы уранил-нитраты. Хорошо растворимы сульфаты уранила и оксигалогениды (UO2Cl2 и UO2F2). Растворимы многие соли уранила с органическими кислотами. Важнейшими труднорастворимыми соединениями U (VI) являются фосфаты, арсенаты, ванадаты [23.41].

Природный уран состоит из трех изотопов. Все природные изотопы урана в той или иной мере радиоактивны, т. е. ядро их атомов может подвергаться самопроизвольному распаду. Он протекает как в форме естественного распада, сопровождающегося преимущественно альфа-излучением, так и спонтанного деления, сопровождающегося потоком нейтронов.

Наиболее ценным с точки зрения ядерной технологии представляется изотоп с массовым числом 235 (U235), который по достижении определенной критической массы способен расщепляться по цепному (лавинному) типу, что позволяет использовать его в качестве ядерного топлива или взрывчатого вещества[13].

Обедненный уран представляет собой остаток природного урана после извлечения из него изотопа U235. Он состоит преимущественно из изотопа с массовым числом 238 (U238). Так, если природный уран содержит до 0,7% U235, то обедненный уран содержит всего (0,2 — 0,3) % от его начального содержания.

1.3 Содержание U238 в почвах Основным источником урана в биосфере является земная кора. Кларковое содержание урана в земной коре составляет 3· 10−4%. Некоторое количество урана поступает на земную поверхность с вулканическими выбросами, а так же в результате антропогенной деятельности (при добыче и переработке урана) [20, 104].

Минералы урана делятся на первичные и вторичные. Минералы U (VI) содержат уран в виде U4+. Основные минералы — безводные окислы. Минералы U (VI) соответствует зоне окисления и характеризуется яркой (желтой, зеленой, оранжевой, белой и т. д.) окраской, свойственной солям уранила. Основной структурной единицей таких минералов является UO22+. Все минералы уранила растворимы в минеральных кислотах, а некоторые — в воде. Весьма распространены карбонаты, сульфаты, ванадаты, арсенаты, фосфаты, силикаты уранила. Все они построены по типу двойных (тройных) солей. Водные основные фосфаты, арсенаты, и ванадаты уранила, Ca, Mg, Ba, Cu, Pb и других объединены в группу урановых слюдок. Наиболее распространенными являются:

отенит — Ca (UO2)2(PO4)210H2O;

метаторбенит — [Cu (H2O)4][(UO2)2PO4)]4H2O;

карнотит — K2(UO2)2(VO4)2(0−3)H2O:

бейлииит — Mg2(UO2)2(CO3)318H2O [23.44].

Уран относиться к классу водных мигрантов, в природных водах он существует в виде иона уранила UO+2, однако, роль биогенной миграции при его перемещении в биосфере также весьма значительна [20, 104].

Фактором, определяющим поведение урана, является его высокая массовая концентрация в почвах, в результате чего в поведении радионуклида играют существенную роль химические свойства самого элемента [20, 104]. Среднее содержание урана в земной коре составляет 4· 10−4%. Уран аккумулируется в почве в результате выветривания пород и почвообразования, в последствии чего концентрация этого элемента в почве оказывается более высокая, чем в породах, из которых он происходит [20, 108]. За геохимический фон принята величина содержания урана, полученная В. И. Вернадским — 50,0 Бк/кг [20, 108], среднемировая концентрация в почвах — 24,4 Бк/кг [21, 29]. В районах, сложенных кристаллическими породами с высоким содержанием урана, концентрация его в почве повышается.

Распределение урана в почвах отдельных ландшафтных поясов определяется характером и направлением процессов почвообразования, в результате которых почвы сильно различаются по содержанию этого элемента. Отмечается увеличение концентрации естественных радионуклидов с севера на юг, что обусловлено существенными различиями в почвообразовательных процессов северных и южных регионов [20, 108].

Минимальное содержание урана приурочены к северным районам Восточно-Европейской равнины (до 580 с. ш.), т. е. к областям распространения подзолистых почв и составляет (0,1 — 1,0)· 10−4%. По ландшафтно-климатическому районированию — это области тундровой и таежно-лесной зон. В зоне распространения песчаных и супесчаных дерново-подзолистых почв (Восточно-Европейская равнина) концентрации урана несколько выше (1,0 — 1,5)· 10−4% [23, 77]. В серых лесных почвах содержание U238 равно 3,4· 10−4%, в черноземах (от оподзоленного на севере до южного на юге зоны) — 3,0· 10−4%, в верхних горизонтах сероземных почв полупустынь — 2,2· 10−4% [21, 29].

В пределах каждого почвенного профиля происходит перераспределение элементов между генетическими горизонтами. Поведение урана связано с двумя основными процессами: накоплением в составе минеральной фракции, унаследованной от почвообразующих пород, и аккумуляцией из почвенных вод. Соотношение между этими процессами во многом определяется формами нахождения урана в почвообразующих породах. Преобладание урана, изоморфно входящего в устойчивые к химическому выветриванию акцессорные минералы, обусловливает его невысокие концентрации в почвенных водах и ничтожную роль сорбционных форм [23.77].

Распределение урана по профилю для разных почв имеет свои закономерности. В дерново-глеевых почвах оно — равномерно, в торфянисто-глеевых проявляется аккумулятивный тип распределения, хотя в целом для естественных радионуклидов характерна аккумуляция в верхних горизонтах почв [20.109]. Концентрация урана в верхнем слое почв находится в зависимости от физико-химических свойств последних. Торфяно-болотные, темно-каштановые, горно-луговые субальпийские почвы характеризуются несколько повышенным содержанием урана в горизонте, А по сравнению с нижележащими горизонтами средне подзолистых почвах несколько повышенная концентрация урана отмечается в иллювиальном горизонте. В содержании и распределении урана в лугово-болотных почвах определенную роль играет глубина залегания грунтовых вод и степень минерализации [7.23].

Поведение U238 и формы его нахождения в почве определяются как состоянием самого нуклида, так и физико-химическими свойствами почвами. Зависимость коэффициента поглощения урана-238 (Кр U238) от рН почвенного раствора нелинейная, отмечено наличие трех максимумов при рН 5 — 6, 9 — 10 и 12, минимума — при рН 2 — 3. Самое слабое поглощение U238 дерново-подзолистой и дерново-луговой почвами происходит при рН 2 — 3, а максимальное (97 — 98%) при рН 5 — 8. При взаимодействии U238 в виде уранил-иона с почвами разных типов и минералами, Кр U238 колеблется от 7 до 338 см3/г, и снижается более чем в 10 раз при увеличении количества U238 в растворе выше 10−4 г/л.

В более северных районах со слабокислым составом вод и значительным преобладанием катионных форм среди растворенных в воде соединений урана реализуются благоприятные условия для сорбции урана на минеральных коллоидах. Для районов лесостепи, где уран находится в природных водах в форме анионных карбонатных комплексов, сорбционные процессы на минеральных коллоидах, видимо, играют несущественную роль. Более важное значение здесь имеют процессы испарения и соосаждения с выпадающими при этом сульфатами, карбонатами, фосфатами и т. д. Такие зоны обогащения ураном не являются стабильными и зависят от сезонных изменений количества осадков, уровня грунтовых вод и температуры [1.205].

Общим свойством всех почв лесостепной зоны является высокая карбонатность, близкая к нейтральной, либо щелочная реакция, высокое содержание гумуса и обменных оснований. Распространенные здесь воды бикарбонатного состава со слабощелочной реакцией, являются благоприятной средой для выщелачивания и растворения многих урансодержащих и урановых минералов. В таких водах уран прочно удерживается в растворе в форме анионных уранил-карбонатных (или бикарбонатных) комплексных соединений, в то время как для северных районов более типичны менее устойчивые в растворе катионные формы [1.209].

Для всех типов почв отмечается закономерность прямой зависимости распределения урана по почвенному профилю от содержания органического вещества в почвах и механического состава, от количества илистой фракции.

Наблюдается положительная корреляция между содержанием гумуса и урана [7.23].

Средняя концентрация этого радионуклида зависит от содержания в почве органических веществ. В почвах, отличающихся повышенным содержанием органического вещества (в черноземно-луговой, болотной) концентрация урана 1.5 — 2,0 раза выше, чем в типичном черноземе. В перегнойно-аккумулятивном и переходном оглееном горизонтах пойменных лугово-болотных и дерново-луговых почвах содержание этого радионуклида выше, чем в типичном черноземе в 1,8 — 4,0 раз. При этом в гумусе может быть сосредоточено до 32% 238U от его валового содержания в гумусовом горизонте. Гумусовые вещества и битумы способны избирательно извлекать U238 из растворов с низкой концентрацией. U238 связывается преимущественно с фульвокислотами, в меньшей степени с гуминовыми кислотами. Важным фактором, определяющим закрепление U238 в почве, является окислительно-восстановительный потенциал почв: восстановление UO2+2 до U+4, как правило, приводит к осаждению U238 в виде труднорастворимых соединений [21.30].

Высокую роль в перераспределении радионуклидов по профилю играет гранулометрический состав. Илистая фракция почв характеризуется часто самым высоким содержанием U238 как природного, так и техногенного происхождения [20.111]. При этом сорбция главным образом происходит за счет глинистых минералов (иллита, коалинита, монтмориллонита) [21.30]. В некоторых случаях отмечается прямая корреляционная зависимость между содержанием урана и илистой фракции. Коэффициент корреляции между содержанием илистой фракции и урана для нижних горизонтов подтверждает прямую связь содержания урана в почвах с почвообразующей породой [7.24]. Однако чаще всего основным источником урана являются более крупные фракции (0,001 — 0,01 мм), преобладающие в механическом составе почв.

Очень слабо поглощается U238 известняком, практически не сорбируется кремнеземом. Влияние емкости катионного обмена на сорбцию U238 почвами отсутствует.

1.4 Поступление U238 из почвы в с/х растения Степень поступления урана из почвы в растения определяется тремя факторами: способностью перехода урана из почвы в растение, способностью почв к удерживанию элементов, способностью растений извлекать уран из почвы.

Переход U238 из почвы в растение определяется особенностями его поведения в системах твердая фаза почвы — почвенный раствор и почвенный раствор — растение [8.351]. Для усвоения корневыми системами растений доступна только та часть ионов радионуклида или элементов минерального питания, которая способна перейти в раствор из сорбированного твердой фазой почвы состояния [9.689, 2,5]. Доступность U238 растениям определяется следующим рядом исходных химических форм радионуклида: (NH4)2U2O7>UO2Cl2>UO3>U3O8>UO2SO4>UO2 [2.5]. В течение достаточно длительного времени (примерно 2-х лет) исходная химическая форма радионуклида оказывает сильное воздействие на миграцию U238 в почвенно-растительном покрове [2.5].

Способность почвы к депонированию урана и его подвижности в ней зависит от свойств почвы. Так, почвы тяжелого гранулометрического состава отличаются большей поглотительной способностью от легких почв [5.105].

Емкость поглощения твердой фазы почвы отражает количество сорбционных мест на поверхности минерального каркаса и органических коллоидов. Она характеризует степень насыщенности почвы основаниями и отдельными катионами [9.690].

Реакция почвенного раствора в значительной мере определяет степень миграции элементов между твердой и жидкой фазами почвы, в том числе и миграцию радионуклидов[9.690].

Содержание органического вещества обуславливает такие свойства почвы как способность к сорбции и образованию труднорастворимых и слабодиссоциирущих комплексных соединений [9.691].

Количество U238, вытесненного в растворы солей, в значительной степени зависит от физико-химических свойств почвы. В почвах с низким содержанием физической глины, гумуса, обменных калия и кальция выше степень подвижности радионуклидов. В пустынно-песчаной почве с меньшим содержанием гумуса, физической глины, обменных калия и кальция выше степень подвижности радионуклидов, чем в лугово-болотной почве [3.11]. В пустынно-песчаной почве, светлом и типичном сероземах U238 находится в основном в обменной форме; в луговой и лугово-болотной почвах содержание нуклида в этой форме было в 2−4 раза меньше [3.11].

Наиболее высокие значения коэффициентов биологического поглощения (КБП) растениями урана отмечаются для районов горной тундры и средней тайги (0,21 и 0,17 соответственно), где в почвах преобладают минерально-обломочные формы урана. Для горно-тундровых и горно-лесных ландшафтов района северной тайги среднее значение КБП существенно ниже (0,08). Для этого района в большей степени была отмечена аккумуляция урана гумусовым веществом и интенсивная водная миграция радионуклида. Самые низкие значения КБП характерны для района лесостепи (0,005), где процессы аккумуляции урана почвами имеют особенно большое значение [1.210]. Коэффициент накопления урана сельскохозяйственными растениями зависит от типа почвы (табл. 1), формы удобрений, вида растений и составляет примерно 0,0001 — 0,1.

Таблица № 1

Накопление U238 в сельскохозяйственных культурах на разных типах почв

Степень поступления урана в растения напрямую зависит от свойств самих растений. Низшие растения (мхи и лишайники) способны накапливать большие концентрации урана по сравнению с высшими растениями. Среди высших растений не найдено концентраторов этого радионуклида кроме астрагала [1. 14].

Накопление растениями радионуклидов зависит от концентрации их в субстрате. При кларковом содержании урана в почвах (n· 10−6 г/г) концентрация его в золе растений составляет 5· 10−7 г/г. При увеличении концентрации урана в почвах до n· 10−4/n10−3 г/г его содержание в золе растений увеличивается, но не пропорционально содержанию в почве (рис.3). Это связывают с существованием у растений «физиологического барьера», препятствующего поглощению высоких количеств урана. Роль такого барьера играют корни и отчасти листья [1.14]. Для долгоживущих радионуклидов, таких как U238, могут проявляться участки II и III кривой (отклонение от линейной зависимости), т. е. могут быть достигнуты массовые концентрации радионуклидов в почве, при которых наблюдается эффект пороговости в усвоении радионуклидов [21.58].

Участки I и II — недостаток и оптимальные концентрации элемента в питательной среде; III — токсические концентрации элемента в питательной среде.

Рис. 3. Типичная зависимость концентрации химических элементов в растениях от концентрации в питательной среде Переход U238 в растительность варьирует в пределах 2−13 раз и определяется строением корневой системы [2.19]. Корни растений выделяют ионы водорода, органические и аминокислоты, хелаты и другие вещества, играющие высокую роль в усвоении и перемещении многих элементов. Глубина размещения корней различных видов растений также играет важную роль в перемещении и извлечении радиоактивных элементов из толщ почвы [10.174]. Как известно радионуклиды в основном накапливаются в верхнем десятисантиметровом слое, и поэтому растения с неглубокой разветвленной корневой системой гораздо интенсивнее поглощают эти элементы. Число придаточных корней увеличивается в ряду: корневищные бобовые<�разнотравье<�злаковые, ряд характеризующий переход U238 в луговые растения следующий: злаковые>разнотравье>бобовые[2.11].

Содержание урана в золе растений во многом зависит и от их видовой принадлежности, возраста и органа [1. 14]. Аккумуляция урана в наземной части растений отмечается, в основном, в вегетационных органах. В вегетативной массе зернобобовых (соя, нут) и зерновых (пшеница, ячмень) культур содержится U238 в 2,4−4,2 раза больше, чем в генеративных органах. Максимальная концентрация U238 отмечена в листьях чая и вегетативной массе зернобобовых культур, а минимальная — в генеративной части зерновых [4.24]. По степени аккумуляции U238 можно составить следующий ряд: чай>соя>нут>хлопчатник>пшеница>ячмень [4.19].

В накоплении урана высшими растениями отчетливо проявляются видовые различия (табл. 2). Большое накопление радионуклида отмечается у многолетних древесных и кустарниковых растений. При этом по органам отдельных видов растений уран распределяется в зависимости от их возраста [1.210].

Таблица № 2

Коэффициенты накопления U238 в сельскохозяйственных культурах, n· 10−2

1.5 Мероприятия, ограничивающие накопление U238 в с/х культурах На снижение накопления урана растениями влияет применение различных удобрений, способствующих закреплению данного элемента почвами. Существенное влияние оказывает внесение в почву органических удобрений, извести. Максимальный положительный эффект наблюдается при внесении навоза.

Также благотворное влияние оказывает внесение минеральных и органических удобрений.

Снижение концентрации радионуклидов в урожае при внесении удобрений может быть обусловлено рядом причин: увеличением биомассы и тем самым «разбавлением» радионуклидов; повышением концентрации в почве обменных катионов, усилением антагонизма между ионами радионуклидов и ионами вносимых солей при корневом усвоении; изменением доступности для корневых систем радионуклидов вследствие перевода их в труднодоступные соединения и обменной фиксации в результате реакции радионуклидов с вносимым удобрением [21.198].

В большинстве случаев радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий, выпавшие на поверхность почвенно-растительного покрова, радионуклиды первоначально сосредотачиваются в самом верхнем слое почв. Пахота почв приводит к перераспределению радиоактивных веществ в корнеобитаемом слое почвы (как правило, 0 — 25 см).

Достаточно эффективным средством снижения перехода U238 из почвы в растения может быть правильный подбор сельскохозяйственных растений. Способность сельскохозяйственных растений (в пределах, как отдельных семейств, так и родов, видов и сортов) накапливать радионуклиды в разных концентрациях может быть использована при организации растениеводства с целью получения продукции с минимальным содержанием радиоактивных веществ [21.212].

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. Методика проведения исследований

2.1 Подготовка почвы к закладке опыта На протяжении трех лет ведутся совместные исследования РУДН и ВНИИСХРАЭ по изучению перехода U238 из почвы в растения. Первый вегетационный эксперимент был заложен в апреле 2003 г. Культура — ячмень, сорт «Эльф-Суперэлита». Почва дерново-подзолистая легкосуглинистая, рН 6.0 закладывалась в 5-ти килограммовые сосуды. Агрохимическая характеристика почвы представлены в таблице 3.

Таблица № 3

Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы

2.2 Внесение U238 в почву В качестве фона в почву вносили N60P60K60. В почву добавляли соединение нитрата уранила UO2(NO3)2· 6H2O. Концентрация вносимого урана составляла 0, 50, 100 и 150 мг на кг почвы. Гомогенность радионуклида и питательных веществ достигается тщательным перемешиванием всех компонентов вручную.

Содержание азота в соединении нитрата уранила не оказывает влияния на общую концентрацию азота в опыте. С UO2(NO3)2· 6H2O в почву дополнительно вносится 0,8% азота.

В сосуды с внесенным в почву ураном посеяли по 21 зерну. Повторность опыта 4-х кратная. Глубина заделки семян — 1,5−2 см.

Опыт был повторен в тех же сосудах в 2004, 2005 годах. В почву вновь вносили питательные вещества и тщательно все перемешивали.

2.4 Метод определения U238 в почвах Содержание урана в почве определялось гамма-спектрометрическим методом, сущность которого состоит в регистрации гамма-квантов, испускаемых ядрами радионуклида, гамма-спектрометром.

Измерения выполнялись согласно «Методике измерений удельной активности радионуклидов в объемных образцах на гамма-спектрометре ACCUSPEC» с использованием многоканального анализатора «InSpector-2000» фирмы «Canberra» (рис. 4,5).

Рис. 4 Гамма-спектрометр ACCUSPEC

Рис. 5 Схема гамма-спектрометра В состав измерительного тракта входят (рис.5):

1. Свинцовый экран — защита. Обеспечивает повышение чувствительности спектрометра за счет снижения уровня внешнего гамма-фона, регистрируемого в блоке детектирования (внешняя сторона «домика» выполнена из свинца с толщиной стенки 100 мм, а внутренняя часть — из листового свинца и листового кадмия);

2. полупроводниковый детектор коаксиального типа из особо чистого германия фирмы «Canberra». Диапазон регистрируемых энергий детектора от 50 кэВ до 10 МэВ. Эффективность регистрации — 35%. Разрешение по линии 60Со (1.33 МэВ) — 1.8 кэВ;

3. предусилитель спектрометрический;

4. спектрометрическое устройство;

5. многоканальный анализатор «InSpector-2000» (рис. 6).

6. компьютер Pentium-II с системой Windows-98 и программным обеспечением для гамма-спектрометрии «Genie-2000» фирмы «Canberra»;

7. принтер;

8. измеряемая проба в сосуде необходимой геометрии (сосуд типа «Дента»).

Рис. 6. Многоканальный анализатор «InSpector-2000»

Гамма-кванты, испускаемые в процессе распада урановых ядер частично (комптоновское рассеяние) или полностью (фотопоглощение), попадая в детектор, теряют свою энергию в веществе детектора. Потерянная энергия испускается затем в виде квантов света, которые с помощью фотоэлектронного умножителя превращаются в электрические импульсы. Амплитуда импульсов пропорциональна поглощенной энергии гамма-квантов. Расчет содержания U238 гамма-спектрометрическим методом проводим по радионуклиду Th234. В цепочке распада он находится в состоянии равновесия с U238. Для расчета используем энергетические линии 63,4 Кэв (выход гамма-квантов 3,8%) и 92 Кэв (суммарный выход гамма квантов 5,4%).

На экране анализатора возникает гамма-спектр, в котором наряду с комптоновским распределением импульсов присутствуют фотопики, соответствующие полной потере энергии гамма-квантов в кристалле детектора. Площадь фотопика пропорциональна активности радионуклида, а его местоположение (после калибровки установки по энергии) соответствует энергии гамма-квантов, испущенных радионуклидом. Эти данные используются для определения активности урана.

Энергетическая калибровка спектрометра проводится с целью установления связи между энергией гамма-квантов и положением пиков полного поглощения в экспериментальном спектре.

Перед непосредственным измерением активности пробы почвы, измерялась активность объемного эталонного образца для градуировки спектрометра по энергии, энергетическому разрешению и эффективности регистрации.

2.6 Методы определения урана в растительности

2.6.1 Плазменно-эмиссионный метод определения U238 в растениях Содержание урана в соломе и зерне определялось двумя методами: плазменно-эмиссионным и альфа-спектрометрическим.

В первом случае измерения проводились на ICP-AES-спектрометре аксиального типа LIBERTY AX фирмы «Varian» (рис. 7, 8). В состав используемого оборудования входит монохроматор (0,75 м) Черни-Турнера. Максимальное оптическое разрешение (нм, теоретическое и практическое) на 2-м порядке дифракции (175−470 нм): теоретическое — 0,007; практическое — 0,009.

Рис. 7. ICP-AES-спектрометр аксиального типа LIBERTY AX фирмы «Varian»

Рис. 8. Камера распыления

Условия проведения анализа (определяемый элемент — U):

Рассматриваемый метод обладает довольно высокой чувствительностью определения некоторых элементов. Основные преимущества плазменно-эмиссионных методов состоят в высокой производительности и простоте выполнения анализа. Плазменные источники света обладают высокой стабильностью горения, в них можно равномерно вводить исследуемый раствор и обеспечить постоянство состава газового облака. Эти обстоятельства позволяют выполнять анализ в широких пределах концентраций по абсолютной интенсивности аналитической линии, что значительно упрощает технику анализа.

Плазменно-эмиссионный метод предполагает введение пробы в источник только в жидком состоянии. Поэтому анализу растений предшествует химическая и физическая подготовка проб, которая заключается в переведении пробы в раствор или извлечении из нее тех или иных соединений определяемых элементов.

2.6.2 Альфа-спектрометрический метод определения U238 в растениях Измерения проводились на установке для измерений спектров альфа-излучающих радионуклидов (рис. 9), которая предназначена для измерения спектров радионуклидов, излучающих альфа-частицы (234U, 235U, 238U, 238−242Pu, 241Am).

Установка для измерения альфа-излучающих спектров состоит из дезактивированного детектора с поверхностным запирающим слоем, установленным в вакуумной камере, интегрированного предватирельного усилителя, линейного усилителя и блока питания. Выход для сигналов линейного усилителя соединен с многоканальным анализатором амплитуд сигналов. Для получения и поддержания в измерительной камере вакуума служит вакуумный насос, который способен поддерживать в камере вакуум от 13,3 до 133 Па.

Рис. 9. Установка для измерения альфа-излучающих спектров Альфа-частицы, взаимодействуя с веществом детектора, частично или полностью теряют свою энергию. Детектор и интегральный предусилитель выдают электрические импульсы с амплитудой пропорциональной потерянной в детекторе энергии. Для удовлетворения технических условий входа многоканального анализатора, амплитуды электрических импульсов усиливаются с помощью линейного усилителя.

При работе многоканального анализатора в режиме накопления, он измеряет амплитуду каждого импульса, пришедшего от усилителя, в результате чего за время измерения в памяти анализатора в разных каналах накапливаются импульсы с различными амплитудами и на экране монитора отображается спектр амплитуд этих импульсов с пиками соответствующих полной потере энергий альфа-частиц в веществе детектора. Количество импульсов в таком пике спектра пропорционально активности радионуклида, а его положение соответствует энергии альфа-частиц, испущенных радионуклидом.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Активность U238 в почве Для изучения поведения урана-238 в системе почва-растение в 2003 г был заложен эксперимент. В 16 сосудах было выращено по 21 растению ячменя. Для эксперимента в контрольном варианте использовалась дерново-подзолистая почва с добавлением стандартного набора удобрений NPK. В остальные сосуды в почву добавляли соединение нитрата уранила UO2(NO3)2 __ это растворимая форма урана. Уран в виде данного соединения усваивается растениями. Концентрация урана составляла: 0, 50, 100 и 150 мг на кг почвы. Повторные эксперименты были поставлены через год и два года в тех же сосудах и с той же сельскохозяйственной культурой __ ячменем.

После сбора урожая в 2003, в 2004 и 2005 годах был проведен спектрометрический анализ почвы для определения содержания урана. Результаты трехгодичных исследований представлены в виде диаграммы (рис.8). Доза урана в почве составила от 16 до 1073 Бк/кг почвы в 2003 г; 19−1042 Бк/кг почвы __ в 2004 г, от 14 до 1076 Бк/кг почвы в 2005 г. За три года исследований активность урана-238 в почве практически не изменилась.

Рис. 8. Содержание урана-238 в почве 2003;2005гг.

3.2 Влияние урана-238 на урожайность ячменя Согласно полученным данным, что при концентрации урана-238 от 0 до 100 мг/кг почвы биометрические параметры растений сильно не различались, однако при увеличении концентрации урана-238 в почве до 150 мг/кг отмечается заметное угнетение роста растения (рис. 9, 10). Необходимо отметить, что имеющиеся в литературе сведения относительно действия урана на рост растений противоречивы. Наряду с указаниями на ингибирующее действие, имеются данные и о стимуляции роста под действием невысоких концентраций этого радионуклида.

Влияние урана-238 на урожайность растений ячменя — неоднозначны. Данные за 2003 и 2005 гг. демонстрируют незначительную тенденцию к увеличению массы зерна с ростом концентрации радионуклида в почве, в 2004 году, наоборот, отмечалось уменьшение массы зерна с ростом концентрации урана-238 (рис. 11).

Рис. 9. Растения ячменя. Выход в трубку

Слева — концентрация урана-238 в почве — 150 мг/кг; справа — концентрация урана-238 в почве — фоновая.

Рис. 10. Динамика роста стеблей ячменя Рис. 11. Масса 1000 зерен 2003;2005гг.

3.3 Переход урана-238 из почвы в растения В первый год эксперимента уран поглощался более интенсивно растениями, на втором и третьем годах опытов, концентрация урана в зерне снижается (рис. 12, 13, 14).

Накопление урана-238 растениями идет пропорционально увеличению концентрации этого элемента в субстрате. Более активно уран-238 поглощается вегетационной массой по сравнению с репродуктивными органами. При этом степень перехода урана-238 в хозяйственно-ценную часть урожая колеблется от 7 до 20%.

При увеличении концентрации урана-238 в почве до 150 мг/кг отмечается резкое увеличение концентрации этого радионуклида в вегетационной массе.

Согласно мнению некоторых авторов, перенос ионов внутрь клеток может осуществляться с помощью переносчиков различного типа. Установлено наличие двух систем переноса ионов. Первая система имеет более высокую избирательную способность; она, как правило, функционирует в естественных условиях при низкой концентрации ионов. Повышение концентрации ионов во внешнем растворе вызывает быстрое насыщение первой системы; дополнительно к ней вступает в действие вторая, менее селективная система. Однако также это может быть связано с токсическим действием урана-238 на корневую систему растения.

Рис. 12. Содержание урана в соломе и зерне, мг/кг (2003г) Рис. 13. Содержание урана-238 в соломе и зерне, мг/кг (2004г.)

Рис. 14. Содержание урана-238 в соломе, зерне, мг/кг (2005г) Согласно формуле

Были рассчитаны коэффициенты накопления для зерна (рис. 15) и соломы (табл. 4). При увеличении концентрации урана-238 в почве отмечается рост коэффициента накопления. Однако, в целом, показатели переноса урана-238 из почвы в растения остаются достаточно низкими. Для зерна также отмечается снижение данного показателя примерно в 4 раза на третий год опытов по сравнению с первым.

обедненный уран растение почва Таблица № 4

Коэффициенты накопления урана-238 в соломе, Кн· 10−2

Рис. 15. Коэффициенты накопления урана-238 в зерне Кн· 10−2 (2003;2005гг)

3.4. Сравнительный анализ плазменно-эмиссионного и альфа-спектрометрического методов Обычно для измерения концентрации урана-238 в растениях используют альфа-спектрометрический метод. Однако масса навесок данного опыта была в 5 — 20 раз меньше необходимой для достоверного измерения активности радионуклида альфа-спектрометрическим методом. Анализ методом ICP-спектрометрии требует незначительного количества образца, что позволяет концентрировать исходный раствор до концентрации урана, достоверно определяемой на плазменно-эмиссионном спектрометре.

Альфа-спектрометрический метод характеризуется более низкой чувствительностью, по сравнению с ICP-спектрометрией. По этой причине, а также в связи с незначительным переходом урана-238 из почвы в растения, альфа-спектрометрическим методом удалось получить результаты только для образцов с наибольшей концентрацией урана-238, т. е. для соломы (рис.16). Полученные результаты соответствовали данным ICP-спектрометрии.

В связи с этим в 2005 году анализ проб проводился только плазменно-эмиссионным методом.

Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод, что плазменный-эмиссионный метод является более чувствительным и требует меньшей массы образца для достоверного определения концентрации радионуклида, по сравнению с альфа-спектрометрическим методом. Это позволяет применять метод ICP-спектрометрии для определения небольших концентраций.

Рис. 16. Содержание урана-238 в соломе. Данные, полученные альфа-спектрометрическим методом Таким образом, в результате проведенного анализа, выявлена зависимость между содержанием радионуклида в почве и накоплением его растениями, что доказывают сравнительные результаты измерений, полученные двумя методами.

ВЫВОДЫ

1. Уран-238 относится к элементам с «барьерным» типом поглощения корневыми системами растений. Вынос радионуклида в надземную часть растений в условиях вегетационного опыта был крайне незначительным и составил менее 0,06% от его количества в почве, что объясняется низким переходом урана-238 из почвы в растения.

2. Концентрация урана-238 в хозяйственно-ценной части урожая была наибольшей в первый год вегетационных опытов, в последующие годы интенсивность поглощения урана-238 растениями сокращается. Указать содержание в цифрах

3. Накопление урана-238 растениями идет пропорционально увеличению концентрации этого элемента в субстрате. Более активно уран-238 поглощается вегетационной массой по сравнению с репродуктивными органами.(напиши во сколько раз) При этом степень перехода урана-238 в хозяйственно-ценную часть урожая колеблется от 7до 20%.

4. Плазменный-эмиссионный метод является более чувствительным и требует меньшей массы образца для достоверного определения концентрации радионуклида, по сравнению с альфа-спектрометрическим методом.

ПРИЛОЖЕНИЕ Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Сосуды с растениями ячменя в период полной спелости

83 — контрольный вариант;

86 — концентрация урана в почве 50 мг/кг;

90 — концентрация урана в почве 100 мг/кг;

94 — концентрация урана в почве 150 мг/кг

Приложение 4

Сосуды с растениями ячменя в теплице

1. Н. А. Титаева А. И. Таскаев Миграция тяжелых естественных радионуклидов в условиях гумидной зоны, изд. «Наука», Ленинград, 1983 1

2. Иванов Ю. А. Закономерности миграции 238U и 232 Th в луговых фитоценозах Автореферат дис на соиск уч степ канд биол наук Обнинск 1986 стр. 21 2

3. Ищенко Г. С. Закономерности миграции урана-238 в системе почва-растение в условиях Средней Азии, автореферат Обнинск — 1988 стр. 20 3

4. Гулалиев Тельман Джаннатали оглы Закономерности распределения и миграции естественных и искусственных радионуклидов в системе почва-растение в условиях Азербайджана. Обнинск — 1991 автореферат 4

5. А. Д. Белов учебник радиобиологии Москва, Колос, 1999 г стр. 382 5

6. А. А. Искра, В. Г. Бахуров Естественные радионуклиды в биосфере 1981 Москва, Энергоиздат стр. 124 6

7. А. Б. Ахундова Содержание урана в почвах, растениях и водах бассейна р. Виляжчай Ленкоранской зоны Азербайджана ССР автореферат изд. ЭЛМ Баку 1970 г. 7

8. А. А. Булгаков, О. В. Шкута Моделирование перехода радиоцезия из почвы в растения 2004 г. НПО «Тайфун», Обнинск т. 44 №З Радиационная биология радиоэкология, с. 351−360 8

9. Б. С. Пристер, Г. Бизольд, Ж. Девиль-Ковемен. Способ комплексной оценки свойств почвы для прогнозирования накопления радионуклидов растениями Москва изд. «Наука», т. 43 № 6, Радиационная биология, радиоэкология, стр. 689 — 696 2003 г. 9

10. Трансурановые элементы в окружающей среде (под ред. У. С. Хэнсона), Москав, энергоиздат, 1985 г. стр. 343 10

11. Трифонов Д. Н. Страницы биографии урана. /К 200-летию открытия химического элемента № 92/. — ВИЕТ. 1989. № 2. С.73−85. www.medpeterburg.ru/news 2005 11

12. korchmastory.newmail.ru/htm/tech/r1.doc (73 КБ) · 09.03.2006 13

13. bizinfo.otrok.ru/chem/elem.php 14.

14. news.bbc.co.uk/hi/russian/ sci/tech/newsid Тарик Кафала, Би-би-си Среда, 10 января 200 115

15. Крышкин Е. Американские войска в Ираке применяют боеприпасы с обедненным ураном www.vor.ru/Iraq/Exclusives/excl_next272_1251. 16

16. Применение боезарядов с «обедненным» ураном приведет к экологической катастрофе в Ираке www. newsru.com 2003 г среда17

17. МИНИСТЕРСТВО ИНОСТРАННЫХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ИНФОРМАЦИИ И ПЕЧАТИ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЮЛЛЕТЕНЬ

18. 6 марта 2001 г. СООБЩЕНИЯ МИНИСТЕРСТВА ИНОСТРАННЫХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В связи с обнародованием Специальной группой Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) доклада

«Обеднённый уран в Косово: оценка состояния окружающей среды после конфликта»

19. www.medpeterburg.ru/news/Out.aspx?Item=14 482 (6 КБ) Uranijum u zivotnoj sredini. Duric Gordana D., Popovic Dragana Lj. Hem. ind. 2000. 54, № 2, с. 50−52. Библ. Серб.; рез. англ. YU. ISSN 0367−598X

20. Д. А. Алиев, М. А. Абдуллаев Исскуственные и естественные радионуклиды в почвенно-растительном покрове Азейрбаджана журнал «Аграрная наука» 1996 г. тип. Россельхозакадемия стр. 149

21. Под редакцией Р. М. Алексахина и Н. А. Корнеева Сельскохозяйственная радиоэкология Москва Экология 1991 г. стр. 396

22. А. А. Касьяненко, Г. А. Кулиева Экологические последствия применения обедненного урана в боезарядах Вестник, РУДН, № 6, 2002 г., серия экология и безопасность жизнедеятельности, стр. 90 — 99.

23. Н. А. Титаева Ядерная геохимия изд. Московского Университета, 1992 г., стр. 272

24. Depleted uranium in Kosovo. Post-conflict environmental assessment. UNEP. 2001. — 184 стp.