Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.
Предыдущая |
Содержание статьи:
Раздел 4. Радиационная экология экосистем
4.2. Радионуклиды в искусственных агробиогеоценозах
Решение основных экологических вопросов в случаях загрязнений местности в чрезвычайных ситуациях связано в основном с искусственными агробиогеоценозами.
Радиоактивные частицы, находящиеся в нижних слоях атмосферы (в тропосфере), осаждаются на растительный и почвенный покров в течение нескольких часов, а стратосферного происхождения – в течение длительного периода – десятки лет (примерно 10% от общего количества ежегодно после выброса в стратосферу). Они выпадают в результате вымывания атмосферными осадками («мокрое выпадение») или в виде сухих частиц за счет гравитационных сил, вертикального движения воздушных масс и турбулентной диффузии («сухое» отложение). Максимальное выпадение наблюдается в весенне-летний период (около 60% годового отложения), менее интенсивное выпадение – в осенне-зимний период. Известно, что основное количество долгоживущих радионуклидов стронция и цезия попало в атмосферу до заключения в 1963 году Московского договора о запрещении испытания ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.
Миграция радиоактивных частиц, выпавших на поверхность земли, происходит по биологическим цепочкам, начиная от внекорневого
поступления их в растительный биоценоз по определенным закономерностям.
Радиоактивные вещества, попадающие на вегетирующие посевы, задерживаются на растениях, оседают на поверхности почвы. Первичное удерживание зависит от плотности растительного покрова, морфологии растений, размеров и агрегатного состояния радиоактивных веществ, метеорологических условий в момент выпадения радиоактивных осадков.
По мере увеличения запаса растительной массы на единицу площади повышается степень удерживания радионуклидов.
Таблица 49 – Первичное удерживание радионуклидов, % от нанесенного количества
Фаза развития |
Масса растений |
90Sr |
137Cs |
Кущение |
0,1 |
24 |
16 |
Выход в трубку |
0,3 |
28 |
24 |
Цветение |
0,6 |
52 |
48 |
Молочная спелость |
0,8 |
48 |
62 |
Восковая |
0,9 |
50 |
62 |
Первичное удержание водорастворимых форм РВ в 4-7 раз выше, чем нерастворимых. С увеличением размера частиц уменьшается их удерживание растениями. Различные сельскохозяйственные культуры обладают неодинаковой способностью удерживания РВ.
Таблица 50 – Величина первичного удерживания РВ
сельскохозяйственными культурами, %
Культура |
Водорастворимые формы |
Нерастворимые формы |
Пшеница яровая |
71 |
13 |
Ячмень яровой |
51 |
19 |
Овес |
51 |
12 |
Просо |
51 |
10 |
Горох |
74 |
31 |
Гречиха |
39 |
– |
Картофель |
25 |
– |
У некоторых растений хозяйственно ценные части урожая достаточно надежно защищены от загрязнения – зерно бобовых культур, просо, риса, ячменя, овса, початки кукурузы, клубни картофеля, корнеплоды.
Неодинаковая способность растений к первоначальному удержанию РВ обуславливает большие различия в уровнях загрязнения урожая.
Наиболее высоким содержанием 90Sr на единицу массы отличаются вегетативные органы растений (десятки и сотни раз выше, чем в зерне, клубнях и корнеплодах), в зерне гречихи наблюдается максимальная концентрация, минимальная – в зерне гороха.
Выпадение 90Sr и 137Cs наиболее опасно для овощных культур, причем радиоцезий включается в метаболизм растений.
При выпадении РВ на луговую и пастбищную растительность значительная их часть задерживается в нижней части растений и в верхнем слое прикорневой дернины, откуда поступают в растения через основание стебля и поверхностные корни, также образуют «дернинный резервуар».
РВ, попадающие в почву, частично вымываются и загрязняют грунтовые воды, но почва довольно прочно удерживает их и обеспечивает очень длительное их нахождение в почвенном горизонте и поступление в сельскохозяйственную продукцию за счет почвенного поглощающего комплекса (ППК).
Гранулометрический состав почвы влияет на закрепление РВ в почве следующим образом:
– тяжелые почвы сильнее закрепляют поглощенные радионуклиды, чем легкие;
– радионуклид 137Cs поглощается и удерживается почвой в большей степени, чем 90Sr.
Минералогический состав почвы также оказывает существенное влияние на эти процессы. Наибольшей поглотительной способностью обладают минералы монтмориллонитовой группы и группы гидрослюд, наименьшей – каолинитовой группы. Поглощенный 137Cs в отличие от 90Sr прочнее сорбируется минералами.
Механизм усвоения радионуклидов корнями растений сходен с поглощением основных питательных веществ – макро- и микроэлементов. Определенное сходство наблюдается в поглощении растениями и передвижении по ним 90Sr и 137Cs и их химических аналогов – кальция и калия. В наибольших количествах поглощается растениями 137Cs, значительно меньше – 90Sr, еще в меньших количествах – 60Co, 106Ru, 144Ce, 147Pm (концентрируются преимущественно в корневой системе). Радионуклиды, поступившие в надземную часть растений зерновых культур, в основном концентрируются в соломе (листья и стебли), меньше – в мякине (колосья, метелки без зерна). С возрастом растений в их надземных органах увеличивается абсолютное количество радионуклидов и снижается содержание на единицу массы сухого вещества.
После накопления радиоактивных веществ растениями начинает работать следующее звено перемещения радионуклидов, а именно миграция их в организм животных и человека (рис. 16). Дикие и домашние животные, потребляя загрязненную растительную пищу, накапливают радионуклиды, которые тут же начинают разрушать их организм изнутри. Не все дикие животные одинаково накапливают радиоактивные цезий и стронций. Меньше всего их концентрируют животные, питающиеся листьями кустарников. К таковым относится, например, лось. В мясе этого животного в 10-12 раз меньше радиоцезия, чем в мясе кабана, промышляющего в лесной подстилке.
Рис. 16. Схема движения радионуклидов по пищевым цепочкам
Очень важно уметь грамотно наладить сельскохозяйственное производство на загрязненных радионуклидами землях. Все мероприятия должны быть направлены на защиту населения и животных, т.к. радиорезистентность растений на порядок или два порядка выше по сравнению с млекопитающими (табл. 51, 52).
Радиочувствительность бактерий и простейших составляет 1000-3000 Гр, а бактерий Micrococcus radiodurens, обитающих в каналах ядерных реакторов, – до 106 Гр.
Радиочувствительность сельскохозяйственных культур определяется по снижению урожайности на 50% при облучении от всходов до цветения, данные представлены в таблице 52.
Таблица 51 – Летальные дозы облучения биологических объектов, Гр
Вид |
ЛД50/30 |
ЛД100/30 |
Морская свинка |
1,5-3,0 |
4,0-6,0 |
Мышь |
4,6-7,5 |
7,0 |
Крыса |
5,0-7,0 |
10,0 |
Овца |
1,5-4,0 |
5,5-7,5 |
Ягнята до 3 мес. |
1,5-3,0 |
6,0 |
Крупный рогатый скот |
1,6-5,5 |
6,5 |
Телята до 5 мес. |
2,0-5,5 |
8,0 |
Свинья |
2,5-3,0 |
4,5 |
Поросята до 2 мес. |
2,5-6,0 |
– |
Лошадь |
3,5-4,0 |
5,0-6,5 |
Осел |
2,1-5,5 |
7,5 |
Коза |
2,5 |
– |
Верблюд |
2,5-4,0 |
4,0-6,0 |
Собака |
2,0-3,5 |
4,0-5,0 |
Кошка |
5,0-7,5 |
8,0 |
Щенки до3 мес. |
4,5-7,0 |
8,0-10,5 |
Человек |
2,5-5,5 |
4,0-6,0 |
Обезьяна |
2,5-6,0 |
8,0 |
Летучая мышь |
5,0-8,0 |
9,5 |
Хомяк |
5,5-8,0 |
— |
Полевка |
6,0-9,0 |
9,0-10,0 |
Суслик |
6,0-9,5 |
9,0-11,5 |
Сурок |
8,0-10,0 |
11,0-12,0 |
Кролик |
10,0-13,0 |
14,0 |
Монгольская песчанка |
— |
15,0-18,0 |
Птицы, рыбы |
8,0-20,0 |
— |
Насекомые |
10,0-100,0 |
— |
Змеи |
80,0-200,0 |
— |
Растения |
10-1500 |
|
Таблица 52 – Радиочувствительность основных сельскохозяйственных культур
Сельскохозяйственные культуры |
Экспозиционная доза, Р |
Горох, озимая рожь |
2000 |
Пшеница, ячмень, овес, подсолнечник |
3000 |
Гречиха, просо, томаты |
5000 |
Лен |
10000 |
Картофель |
15000 |
Сахарная свекла, турнепс |
20000 |
Капуста, морковь, столовая свекла |
25000 |
Действие ионизирующей радиации на растительные клетки обусловлено ионизацией молекул, при которой образуются ионы и свободные радикалы из молекул воды, неорганических и органических соединений.
Химический этап взаимодействия энергии с веществом начинается с образования в облученных клетках активных радикалов и перекисей, энергично вступающих в химические реакции с ненарушенными молекулами других веществ клетки. Третий этап действия радиации на живую клетку – биологический.
Радиационно-химические изменения ведут к нарушению во всех частях и биологических структурах клетки – происходят изменения в молекулярных структурах ядер клеток, в хромосомном аппарате, в ДНК и РНК.
Далее следуют изменения физиологических функций клеток, повреждение ядерного аппарата, нарушение ростовых процессов, появление внешних морфологических аномалий и изменение генома, нарушается согласованный процесс ДНК – РНК – белок. Поражение ДНК обуславливает мутагенное действие радиации, обуславливают хромосомные аберрации (перестройки), разрывы и другие нарушения.
Хотя клетка реагирует на излучение как единое целое, цитоплазма обладает сравнительно высокой чувствительностью, а ядро проявляет высокую чувствительность даже к небольшим дозам ионизирующей радиации.
Различные хромосомные нарушения являются одной из основных причин задержки митоза и гибели клеток. Избирательность действия ИИ на различные ткани определяется законом Бергонье-Трибондо, согласно которому более радиочувствительны интенсивно делящиеся клетки (меристемные, ростковые клетки).
Очень важна способность клеток и тканей – противостоять неблагоприятным и повреждающим воздействиям ИИ, в ответ на которые включаются процессы репарации (восстановления).
Радиочувствительность разных видов и сортов растений колеблется в широких пределах.
Критические дозы облучения семян на порядок выше, чем вегетирующих травянистых растений. Для большинства вегетирующих растений критическая доза оценивается 1-5 крад, а летальная – в 5-10 крад, соответствующие дозы для облучения составляют 30-50 крад.
Радиорезистентность (радиоустойчивость) растений в разные периоды онтогенеза колеблется в значительной степени и составляет в последовательностях:
1) семена молочной спелости – восковой спелости – полной спелости – покоящиеся – возрастает;
2) семена покоящиеся – прорастающие – всходы – снижается;
3) всходы – заложение вегетативных органов – заложение оси соцветия – возрастает;
4) от заложения оси соцветия и перехода к генеративному состоянию – формированию элементов цветка – спорогенез – повышается;
5) от спорогенеза до гаметогенеза – снижается.
Снижение урожайности зерна озимых культур в зависимости от гамма-облучения в разные фазы развития представлено в таблице 53.
Таблица 53 – Снижение урожайности зерна озимых культур, %
Фаза развития |
Доза облучения, Р |
||
1000 |
2000 |
3000 |
|
Кущение |
5 |
25 |
55 |
Выход в трубку |
25 |
55 |
80 |
Колошение |
15 |
20 |
28 |
Цветение |
8 |
13 |
21 |
Молочная спелость |
5 |
7 |
9 |
Полная спелость |
0 |
0 |
0 |
Зерновые бобовые культуры обладают наибольшей радиочувствительностью в период бутонизации.
Продовольственное и техническое качество сельскохозяйственной продукции существенно не ухудшается даже при снижении урожайности до 30-40% от контроля (необлученных растений).
Содержание белка и клейковины в зерне пшеницы, рассчитанное на единицу массы, не снижается.
Снижение масличности семян подсолнечника (на 8-27%) наблюдается при облучении растений в фазы генеративного развития дозами 3-10 крад.
Аналогичная закономерность наблюдается и по выходу сахара в урожае корнеплодов.
Посевные и посадочные качества семян и клубней снижаются. При облучении картофеля до периода бутонизации и цветения клубни получаются безростковыми из-за высокой радиочувствительности промеристематических клеток, но они по содержанию крахмала и по вкусовым качествам не отличаются от обычных клубней. Данные по снижению полевой всхожести до 50% представлены в таблице 54.
Таблица 54 – Дозы облучения, при которых семена непригодны для посева
Культуры |
Фазы развития |
Доза, Р |
Зерновые озимые |
1. Выход в трубку, колошение, цветение 2. Всходы, кущение |
2500 1000 |
Зерновые яровые |
1. Цветение 2. Всходы, кущение, выход в трубку, колошение |
2500 7000 |
Кукуруза |
Выметывание метелки, цветение |
7000 |
Горох |
1. Всходы, бутонизация, цветение 2. Созревание |
23500 20000 |
4.2.1. Особенности ведения сельскохозяйственного производства в ближайший период после выпадения радиоактивных осадков
4.2.2. Ведение сельскохозяйственного производства в период «йодной опасности»
4.2.3. Ведение сельскохозяйственного производства в период поверхностного загрязнения почвы радиоактивными веществами
4.2.4. Ведение сельскохозяйственного производства в период корневого поступления РВ в растения
4.2.5. Прогнозирование поступления радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию
Предыдущая |