Ознакомьтесь с лекционным материалом, кратко законспектируйте
При ведении сельскохозяйственного производства на загрязненных радионуклидами почвах необходимо ограничить их поступление в растения и через все биологические цепочки — в организм человека.
Образующиеся в процессе ядерных реакций продукты деления тяжелых ядер представляют собой смесь более 200 изотопов 35 химических элементов. У более чем двух третей изотопов период полураспада менее одного дня. Со временем в смеси продуктов деления начинают преобладать долгоживущие радионуклиды стронций-90 (период полураспада 28 лет) и цезий-137 (период полураспада 30 лет).
Радиоактивное загрязнение растений
Радиоактивные изотопы стронция и цезия являются химическими аналогами кальция и калия и отличаются высокой биологической активностью. Они поступают в растения из почвы и представляют опасность для человека. Поэтому необходимы мероприятия по уменьшению их поступления в растения.
Радиоактивное загрязнение растений. Известно, что в растениях может накапливаться, не повреждая их и не снижая урожайность, такое количество радионуклидов, при котором растениеводческая продукция становится непригодной для использования. Радионуклиды в растения могут поступать через вегетативные органы (аэральный путь) и через корневую систему (корневой путь). Аэральное поступление наиболее значимо при радиоактивном загрязнении воздушной среды сразу после радиационного инцидента. При попадании радионуклидов в почву преобладает корневой путь поступления.
Механизм усвоения радионуклидов корнями растений подобен усвоению необходимых элементов питания. Главное отличие состоит в том, что радионуклиды находятся в почве в предельно низких концентрациях, а элементы питания — в более высоких концентрациях. Основное количество радионуклидов извлекается корнями из почвенного раствора, а также из почвенно-поглощающего комплекса, с частицами которого тесно контактируют корневые волоски, или зона поглощения корня.
Величина накопления радионуклидов зависит от следующих основных показателей:
1) свойства радионуклидов и формы нахождения их в почве;
2) физико-химические параметры почвы;
3) биологические особенности растений;
4) агротехника возделывания;
5) погодно-климатические условия.
Поступление и распределение радионуклидов по растению определяется их свойствами и участием в процессах обмена веществ. Также поступление радионуклидов зависит от концентрации доступных форм радионуклидов в корнеобитаемом слое. После аварии на ЧАЭС наиболее интенсивно поступление радионуклидов цезия происходило в первые 2 года. К концу 5-го года содержание обменного цезия в почве уменьшилось в 3 и более раза.
Таким образом, со временем уменьшается содержание доступных для растений форм цезия-137 и снижается его поступление в растения. Подвижность и доступность стронция-90 практически не изменяется со временем, поскольку он находится в водорастворимой и обменной формах, которые хорошо доступны для корневого усвоения.
Среди почвенных характеристик наибольшее влияние оказывают гранулометрический и минералогический состав, агрохимические показатели почвы и режим увлажнения почвы. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее сорбция радионуклидов и тем меньше коэффициенты накопления радионуклидов растениями. На почвах тяжелого гранулометрического состава с высоким содержанием глин радионуклиды накапливаются в растениях в меньших количествах, чем на почвах легкого состава.
Все агрохимические показатели почвы, способствующие повышению сорбции радионуклидов почвой, снижают их
поступление в растения. Наиболее существенное влияние на поступление Cs-137 в растения на дерново-подзолистых почвах оказывает содержание обменных катионов К+, Mg2+, Са2+ и гумуса. Обменный калий оказывает конкурентное влияние на поступление цезия-137, т. е. чем больше обменного калия в почве, тем меньше поступление цезия-137.
Изменение кислотности почвенного раствора от кислого интервала (pH = 4,5—5,0) к нейтральному (pH = 6,5—7,0) снижает переход стронция-90 в растения в 2—3 раза.
На переход цезия и стронция в растения оказывает влияние органическое вещество почвы. Гумусовые кислоты, особенно гуминовая кислота, образуют сложные комплексы с радионуклидами или гуматы, поэтому из органических комплексов доступность стронция снижается в 2—4 раза, а цезия — в 1,5 раза.
Таким образом, показатели почвенного плодородия могут оказывать существенное влияние на накопление радионуклидов всеми сельскохозяйственными культурами. Минимальный переход цезия-137 и стронция-90 в растения наблюдается на почвах с оптимальными параметрами их агрохимических характеристик.
На накопление радионуклидов растениями оказывают влияние различные биологические особенности растений, среди которых выделяют эволюционное происхождение растений, или филогенез. Растения, имеющие раннее происхождение, накапливают больше радионуклидов, чем возникшие в поздние периоды. По накоплению радионуклидов отделы флоры располагаются в следующем убывающем порядке: лишайники > мхи > папоротники > голосеменные > покрытосеменные. Различия по накоплению радионуклидов выявлены в пределах классов, семейств и видов.
Межвидовые различия могут достигать до 5—100 и более раз. Содержание цезия-137 в расчете на сухое вещество отдельных культур может различаться до 50 раз, а накопление стронция-90 — до 30 раз при одинаковой плотности загрязнения почвы.
Сортовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше (до 1,5—3 раз), но их также необходимо учитывать при подборе культур для возделывания в условиях радиоактивного загрязнения.
По накоплению радионуклидов в товарной части культуры располагаются в следующем убывающем порядке: корнеплоды, бобовые, картофель, крупяные, зерновые и овощные культуры. По накоплению стронция-90 выделяют сильнонакапливающие культуры (бобовые), средненакапливающие (крупяные) и слабонакапливающие (зерновые). Бобовые культуры накапливают радионуклидов в 2—10 раз больше, чем зерновые.
Высокие коэффициенты накопления радионуклидов и у многолетних трав естественных фитоценозов, видовой состав которых зависит от типа и влажности почвы, при этом видовые различия в пределах одной экосистемы достигают 15—30 раз. Осоковые и осоко-злаковые ценозы, произрастающие на постоянно переувлажненных почвах, накапливают цезий-137 в 100 раз больше, чем злаковые ценозы. Высокие коэффициенты накопления характерны для разнотравья всех фитоценозов.
Накопление радионуклидов зависит от типа минерального питания, т. е. от потребности культур в калии, кальции и других элементах питания. Калиелюбивые культуры (свекла, картофель, овес, капуста) накапливают больше цезия, а кальциелюбивые (люпин, люцерна, клевер, горох) — стронция.
В органах растений радионуклиды распределяются неравномерно. Наименьшая концентрация радионуклидов отмечается в генеративных органах, т. е. в семенах. При этом в самих семенах радионуклиды также распределяются неравномерно — максимальное накопление происходит в оболочках, кроющих чешуях, створках бобов и стручков. В корнеплодах наиболее высокое накопление радионуклидов в головке, кожице и сердцевине. В клубнях картофеля максимальное накопление в кожуре.
Накопление радионуклидов зависит от места расположения, типа и мощности корневой системы. Растения с мочковатой и корневищной корневой системой, расположенной в верхних слоях почвы, накапливают больше радионуклидов,
чем растения со стержневой системой, которая проникает в более глубокие и «чистые» почвенные горизонты.
Кроме свойств радионуклидов, почвенных характеристик и биологических особенностей растений, на накопление радионуклидов значительное влияние оказывает технология возделывания культур, т. е. система обработки почвы, внесение извести, минеральных и органических удобрений.
Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения чаще всего используется такой показатель, как коэффициент перехода (Кп). Коэффициент перехода — это отношение содержания радионуклида в растительной массе (Бк/кг) к поверхностной активности почвы (кБк/м2). Справочные значения этих коэффициентов приведены в Рекомендациях по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь.
Значения коэффициентов перехода дифференцированы в зависимости от типа и разновидности почв, культуры, содержания подвижного калия в почве и ее кислотности. Их значения определяют экспериментально путем обработки результатов многолетних полевых опытов, а также анализов растительных и почвенных образцов, взятых на производственных посевах по единой методике.
Коэффициенты перехода позволяют расположить сельскохозяйственные культуры в порядке убывания содержания радионуклидов в продукции.
Убывающий ряд культур по накоплению l37Cs:
• в зерне: люпин > горох > вика > рапс > овес > просо > ячмень > пшеница > озимая рожь;
• в соломе: овес > ячмень > яровая пшеница > озимая пшеница > озимая рожь;
• в зеленой массе, клубнеплодах, клубнях: многолетние злаковые травы > люпин > рапс > многолетние бобово-злаковые смеси > клевер > горох > горохо-овсяная смесь > вико-овсяная смесь > кукуруза > картофель > кормовая свекла;
• в сене многолетних злаковых трав: костер безостый > тимофеевка > мятлик луговой > ежа сборная > овсяница > райграс пастбищный;
• в естественных ценозах, осоковые > осоково-злаковые > злаковые.
Убывающий ряд культур по накоплению 90Sr:
• в зерне: яровой рапс > люпин > горох > вика > ячмень > яровая пшеница > овес > озимая пшеница > озимая рожь;
• в соломе: ячмень > яровая пшеница > озимая пшеница > овес > озимая рожь;
• в зеленой массе, клубнеплодах и клубнях: клевер > люпин > горох > многолетние злаковые травы на пойменных землях > многолетние бобово-злаковые смеси > вика > рапс яровой > горохо-овсяные смеси > вико-овсяные смеси > травы естественных сенокосов > кукуруза > кормовая свекла > картофель;
• в травах: разнотравье > осоки > мятлик луговой > ежа сборная.