Распределение радиоактивных изотопов в системе «почва – растения» чрезвычайно важно для оценки их миграции в водных и прибрежно-водных экосистемах территорий, подверженных воздействию техногенных процессов.

В одной из наших ранних работ [1] исследована удельная активность изотопов 137Cs и 90Sr в почвах прибрежных участков водоемов разного типа Тюменской области. Показано активное накопление радионуклидов в почвах пойм рек на примере р. Тобол, которая связана с другими реками, протекающими по территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, связанного с деятельностью ПО «Маяк» (р. Исеть, р. Теча, р. Миасс) [2]. В почвах прибрежной зоны бессточных водоемов оз. Имбиряй и оз. Чигиркуль наблюдалось минимальное по сравнению с поймами накопление радионуклидов 137Cs и 90Sr благодаря отсутствию гидрохимической связи с реками Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Ведущую роль в накоплении 137Cs и 90Sr в почве, т.е. в механизмах иммобилизации изотопов, ограничивающих их миграцию в другие компоненты пресноводных экосистем (биоту, донные отложения), играют содержание гумуса, фосфатов, поглотительная способность почвы, обеспеченность калием, кальцием и магнием. Накопление в пойменных почвах радионуклидов может являться фактором вторичного загрязнения речных вод.

Изотопы 137Cs и 90Sr проявляют среднюю радиотоксичность по отношению к человеку и животным [2].

В надземной части растений за счет атмосферного выпадения, а также в результате корневого поглощения наблюдается биогенная аккумуляция техногенных радиоактивных изотопов [3]. Накопление радионуклидов растениями зависит от целого ряда факторов, включая уровень загрязнения, физико-химические свойства почвы, видовые особенности, жизненные формы и экологические группы растений, сезон года, удаленность от уреза воды и др. [4, 5]. С опадом надземной фитомассы может происходить вторичное поступление радиоактивных элементов в почву и другие компоненты (воду, донные отложения, гидробионты) пойменных экосистем [6]. Для характеристики накопления радионуклидов в других, не исследованных нами компонентах водных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа, приведем данные из источников литературы. В воде р. Течи по данным на 2005 г., т.е. через 39 лет после сброса больших объемов радиоактивных отходов, содержание 90Sr составляло 13,6 Бк/л (ПДК 7 Бк/л), содержание 137Cs – 0,6 Бк/л (ПДК для воды не разработаны) [2]. По данным тех же авторов, концентрации радиоактивных изотопов в верхних слоях (слой 0–5 см) донных отложений р. Течи колебались в следующих диапазонах в зависимости от места отбора образцов: для 90Sr 28 – 430 Бк/кг сухой массы, для 137Cs – 19–1050 Бк/кг сухой массы. В организме рыб (карась золотистый – Carassius carassius L.) в р. Тече (110 км от истока) среднее содержание радионуклидов составляло для 90Sr – 340 Бк/кг сырой массы рыбы, для 137Cs – 576 340 Бк/кг сырой массы рыбы. При этом коэффициенты накопления изотопов в биомассе карася составляли для 90Sr – 68, для 137Cs – 600 [2].

Настоящие исследования направлены на оценку аккумуляции радионуклидов в надземных частях прибрежно-водных растений пойм р. Тобол.

Проведен анализ удельной активности радионуклидов 137Cs и 90Sr в листьях растений, а также в коре некоторых древесных растений, произрастающих в поймах основного русла и стариц р. Тобол. По данным радиационного анализа почв (валовое содержание) и растений были рассчитаны коэффициенты накопления 137Cs и 90Sr в фитомассе (золе растений).

Материалы и методы исследования

Объектами послужили образцы растений разных экологических групп и форм и аллювиальных дерновых слоистых почв, отобранные в пойме основного русла и стариц р. Тобол в июле 2019 г. вблизи некоторых населенных пунктов в юго-западной части Тюменской области (табл. 1).

Из многолетних травянистых растений были исследованы осока острая (Carex acuta L.) и тысячелистник иволистный (Achillea salicifolia Besser), из кустарников – ива пепельная (Salix cinerea L.), из деревьев – ива белая (Salix alba L.).

У всех исследуемых растений отбирали листья, у ивы белой дополнительно – кору. Отбор образцов проводили в пятикратной повторности на каждом участке. Отбор образцов почвы проводили на тех же участках, сопряженно с пробами растений в пятикратной повторности на глубине 0–15 см.

Образцы почв высушивали при 105 °С, образцы растений высушивали до воздушно-сухого состояния и затем озоляли при 450 °С в муфельной печи. Перед анализом навески почвенных и растительных образцов подвергали двукратной обработке 2н HCl.

Удельную активность радиоактивных изотопов 90Sr и 137Cs в образцах растений и почвы определяли на гамма-бета спектрометре «Гамма Плюс» с использованием программного обеспечения «Прогресс-5». Математическую обработку результатов проводили в программе «Past 3.16» с использованием методов описательной статистики и дисперсионного метода (наименьшая существенная разность).

Биогенную аккумуляцию радионуклидов 90Sr и 137Cs растениями прибрежных зон бессточных водоемов (оз. Имбиряй и оз. Чигиркуль) не исследовали в связи с их минимальным накоплением в почвенном покрове и отсутствием прямой геохимической связи этих участков с водоемами Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Результаты исследований и их обсуждение

Исследованные растения относятся к экологической группе прибрежно-водных макрофитов с высокой и умеренно активной интегральной встречаемостью в поймах рек южно-таежной зоны Обь-Иртышского бассейна [7]. Растения относились также к разным жизненным формам: травянистые, кустарники и деревья. В табл. 2 представлены данные по удельной активности радионуклидов в растениях исследуемых участков поймы и стариц р. Тобол.

Как показали результаты, в исследованных участках поймы р. Тобол накопление изотопов 90Sr и 137Cs в надземной фитомассе исследованных видов растений в 2–2,5 раза выше, чем в поймах аналогичных видов в прибрежной зоне стариц р. Тобол.

Изотоп 137Cs аккумулируется растениями более активно по сравнению со 90Sr. У исследованных растительных объектов повышенное накопление изотопов 90Sr и 137Cs отмечено в коре ивы белой и в листьях осоки острой. В отношении биологических объектов ПДК радионуклидов 137Cs и 90Sr разработаны только для оценки безопасности лекарственных растений (табл. 2) [8]. Накопление исследованными растениями стронция свыше ПДК наблюдалось только у осоки острой и в коре ивы белой в пойме основного русла р. Тобол. Содержание изотопа 137Cs в пойме р. Тобол и в прибрежной зоне стариц выше фармакопейной ПДК отмечено в листьях осоки острой и в коре ивы белой.

Согласно данным других авторов, растения из группы прибрежно-водных макрофитов накапливают 90Sr и 137Cs существенно меньше, чем растения из группы водных растений. Так, нитчатые зеленые водоросли рода кладофора (Cladophora Kütz.) на некоторых участках р. Течи, протекающей по территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, могут накапливать 90Sr до 711 Бк/кг сухой массы [2].

Удельную активность техногенных изотопов анализировали в верхнем слое почв глубиной 0–15 см, поскольку повышенная аккумуляция данных радионуклидов наблюдается в верхних почвенных горизонтах и существенно снижается в глубоких слоях [2]. В настоящей статье данные по удельной активности радионуклидов в почвах пойм р. Тобол не приводятся, поскольку они подробно представлены в одной из наших ранних работ [1].

По данным анализа радионуклидов в золе растений и в почвах, отобранных сопряженно в пределах каждого участка, были рассчитаны коэффициенты накопления изотопов 90Sr и 137Cs в исследуемых видах, произрастающих в прибрежных зонах разного типа: южно-таежных участках поймы основного русла и стариц р. Тобол. Таким образом, коэффициент накопления представляет собой отношение удельной активности изотопов 90Sr и 137Cs в золе растения к удельной активности радионуклидов в почве.

В условиях гидроморфных (пойменных) экосистем наблюдалась интенсивная биогенная аккумуляция радионуклидов исследуемыми видами растений. Коэффициенты накопления 90Sr варьировали от 2,5 до 10,5, 137Cs – от 8 до 102,5 (табл. 3). По данным других исследователей, коэффициенты накопления у элодеи (группа водных растений) существенно выше и составляют в среднем для 90Sr – 1371 и 137Сs – 3435 [2].

Наиболее высокие коэффициенты накопления радионуклидов установлены нами в листьях осоки острой и в коре ивы белой.

Данные литературы по дифференциации радионуклидов в органах растений неоднозначны. Одни авторы отмечают повышенное содержание 90Sr и 137Cs в листьях деревьев и трав по сравнению со стволами древесных форм [5], по данным других исследователей, наиболее загрязненными изотопами 90Sr и 137Cs являются наружные (кожица и пробка) и внутренние слои (лубяные волокна и флоэма) коры древесных растений (дуба, ольхи, липы) [6]. Вероятно, существенное влияние на распределение радионуклидов в органах и тканях растений оказывают путь их миграции (атмосферные выпадения, грунтовые и поверхностные воды) в той или иной экосистеме и, соответственно, корневой или внекорневой механизм поглощения растениями.

Заключение

Как показали результаты исследований, техногенные радиоактивные изотопы 137Cs и 90Sr активно накапливаются в надземных вегетативных органах прибрежно-водных растений, произрастающих в поймах р. Тобол. Накопление радионуклида 137Cs происходит более интенсивно по сравнению с изотопом 90Sr.

Исследуемые растения проявили видовые особенности в накоплении 137Cs и 90Sr и их распределении по органам.

Наиболее высокая биогенная аккумуляция установлена в листьях осоки острой и в коре ивы белой. Вероятно, высокое накопление радионуклидов в коре ивы белой можно объяснить удалением токсичных элементов в ткани растений с низкой метаболической нагрузкой. В случае осоки высокое накопление изотопов 137Cs и 90Sr связано, вероятно, с постоянным контактом с речными и поверхностными водами поймы, содержащими радионуклиды, поступающие из рек Восточно-Уральского радиоактивного следа. Минимальное накопление 137Cs и 90Sr установлено в листьях ивы белой и тысячелистника иволистного. Исследованные виды растений проявляют высокую и умеренно активную интегральную встречаемость в пойменных экосистемах рек Обь-Иртышского бассейна и могут представлять собой источник вторичного поступления радионуклидов с опадом фитомассы.

Несмотря на длительный период, прошедший с момента радиационных катастроф и испытания ядерного оружия, согласно результатам наших исследований и данным других авторов, в экосистемах пресноводных водоемов на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа отмечаются повышенная геохимическая миграция и биогенная аккумуляция техногенных радионуклидов. Территория нуждается в периодическом мониторинге радиационной обстановки.

Продолжение исследований видится нам в расширении числа исследуемых экологических групп и видов растений, изучении распределения радионуклидов в органах и тканях растений, а также в изучении сезонной и многолетней динамики радиационной обстановки в компонентах пресноводных экосистем Восточно-Уральского радиоактивного следа и сопряженных территорий.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы «Антропогенная трансформация пойменных экосистем Обь-Иртышского бассейна» (№ НИОКТР АААА-А19-119012190088-0).