Актуальность исследования связана с необходимостью мониторинга миграции радиоактивных техногенных изотопов в водных экосистемах, расположенных на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа и в сопредельных регионах. В результате радиационных катастроф на ПО «Маяк» в 1957 и 1967 гг. и многократных испытаний ядерного оружия в регионе, исследуемые водосборные территории Тюменской области подвергались загрязнению долгоживущими радионуклидами 137Cs и 90Sr.

Целью исследований являлось изучение накопления радионуклидов в воде, донных отложения и растениях гидробионтах водных экосистем разного типа (реки, озера, старицы рек) юго-западной части Тюменской области.

Техногенные радионуклиды относятся к наиболее опасным загрязнителям в окружающей среде и обладают средней радиотоксичностью в отношении животных и человека [1]. Объекты атомной энергетики и ряда других отраслей промышленности (цветная металлургия, производство фотоэлементов, пиротехнических изделий, красок, цементное производство) являются источниками радиоактивных изотопов 137Cs и 90Sr [2].

Техногенные катастрофы на объектах атомной промышленности и испытания ядерного оружия также вносят существенный вклад в рассеивание радионуклидов в окружающей среде. Магматические горные породы служат естественными источниками долгоживущих радиоактивных изотопов 137Cs и 90Sr с периодами полураспада 30 и 29 лет соответственно. В процессе естественной и техногенной миграции радионуклиды аккумулируются в глинистых минералах, органическом веществе почвы, донных отложениях и биомассе живых организмов наземных и водных экосистем [1].

В ранних наших работах [3] и другими авторами [4, 5] было показано, что почвенный покров прибрежных экосистем, главным образом, органическое вещество, глинистые минералы и фосфаты, служат важнейшими факторами иммобилизации 137Cs и 90Sr на пути в миграции в водные объекты. Прибрежная фитомасса, в которой активно накапливаются радионуклиды, как из почвы, так и из водоемов или за счет атмосферного переноса, является одним из важнейших звеньев в их миграции [6].

Водные экосистемы и прилегающие к ним территории речных долин (поймы, надпойменные террасы) вследствие расположения в аккумулятивных формах рельефа являются слабоустойчивыми к накоплению техногенных загрязнителей. В связи с этим аквальные и субаквальные экосистемы нуждаются в постоянном мониторинге миграции радионуклидов с целью управления санитарно-гигиеническим состоянием и разработки мероприятий по охране водных объектов [6, 7].

Вода. Водоемы разного типа: открытые водные системы (реки), закрытые водоемы (озера) и технические водные сооружения (водохранилища) имеют разные гидрологические режимы, скорости образования донных отложений, отличаются видовым разнообразием гидробионтов. В связи с этим миграция, накопление и распределение загрязняющих веществ и радионуклидов, в частности, протекают специфично для каждого типа водоемов. Речные системы служат одним из механизмов переноса радионуклидов от стационарных источников на большие расстояния. В закрытые бессточные озера техногенные радионуклиды поступают с площади прилегающей водосборной территории, а также за счет атмосферного переноса. Миграция, накопление и распределение техногенных радионуклидов в водных объектах ВУРСа (р. Теча, Исеть, Тура, Иртыш, Обь) изучены многими исследователями [7, 8]. Территория Тюменской области исследована в меньшей степени. Слабо изучена миграция радиоактивных изотопов в р. Тобол, старицах р. Тобол и бессточных озерах Имбиряй и Чигиркуль. Исследуемый нами регион представляет определенный интерес в связи с рассеиванием техногенных радионуклидов. Миграция техногенных радионуклидов с территорий их промышленного использования и размещения отходов происходит и путем поступления в грунтовые и подземные воды, через которые возможно проникновение радиоактивных изотопов в поверхностные воды [8].

Донные отложения. Поступившие в водные экосистемы радионуклиды аккумулируются в донных отложениях, служащих основным местом депонирования. В донные отложения могут поступать радионуклиды из почвенного покрова поймы водоемов. Донные отложения речных водных систем и русловые отложения переносятся за счет течения и паводковых процессов, что служит важнейшим фактором перераспределения РН на большие расстояния от источников и участков первичного депонирования. Донные отложения бессточных водоемов (озера) и стариц рек более надежно характеризуют накопление РН в водных системах той или иной местности.

Накопление радионуклидов в донных отложениях и их распределение по глубине определяется целым комплексом факторов.

Растительность. В отличие от воды и донных отложений рек, где содержание радионуклидов подвержено временной динамике, накопление радиоактивных изотопов в растениях служит более надежным показателем радиоактивного загрязнения аквальных и субаквальных экосистем [8].

Радионуклиды поглощаются растениями за счет их активного и пассивного поступления через мембраны клетки корня или, в случае водорослей, лишенных покровных тканей, через клетки всей поверхности растения. Далее у высших растений поглощенные радионуклиды по симпласту поступают в сосуды и транспортируются в надземные органы [9].

Радиоактивный стронций обладает большей подвижностью и повышенной аккумуляцией в компонентах водных экосистем по сравнению с цезием. Высшие водные растения составляют основу фитомассы водоемов. Накопление радиоактивных изотопов в биомассе растений определяется широким спектром факторов внешней среды и видоспецифичными особенностями их избирательного поглощения [10].

Водные и прибрежно-водные растения характеризуются очень высокими коэффициентами накопления радионуклидов. Так, по некоторым данным у роголистника темно-зеленого, произрастающего на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, коэффициенты накопления для стронция составляют в среднем 459, для цезия – 5005. Прибрежно-водная осока на тех же территориях накапливает радионуклиды менее активно (коэффициент накопления стронция – 300 и цезия – 2000) [8]. Биомасса гидробионтов, наряду с фитомассой наземных растений, является источником вторичного поступления радиоактивных элементов в компоненты водных экосистем.

Материалы и методы исследования

Характеристика территории

Исследуемые нами водные объекты находятся на расстоянии от 360 до 430 км на северо-восток от ПО «Маяк». Речные объекты исследуемой территории связаны с гидрологической системой р. Исеть и ее притока р. Теча, подверженной воздействию ПО «Маяк».

Образцы воды, донных отложений и растений отбирали на участках исследованных нами ранее в отношении наземных частей пресноводных экосистем (пойменные почвы и прибрежно-водные макрофиты). Места расположения исследуемых участков представлены в табл. 1.

Отбор и подготовка проб воды к анализу. Образцы воды из исследуемых водоемов отбирали в соответствии с требованиями ГОСТ 31861-2012 [11]. На каждом участке воду из водоема отбирали в 5-кратной повторности на расстоянии не менее 25 м друг от друга. Отобранные пробы воды упаривали до сухого остатка, в котором определяли удельную активность радионуклидов. В р. Тобол исследуемые участки расположены у правого берега реки.

Образцы донных отложений отбирали согласно ГОСТ 17.1.5.01-80 [12]. Донные отложения отбирали на расстоянии 1–2 м от линии уреза воды в местах отбора проб воды на каждом участке в 5-кратной повторности с глубины 0–25 см.

В качестве растительных объектов были использованы представители водорослей: кладофора (Cladophora fracta Kutz) и род хара (Chara) и водных высших растений: ряска малая (Lemna minor L.) и стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L.). Ряска относится к экологической группе растений, плавающих на поверхности. Стрелолист входит в группу растений укореняющихся в грунте и с плавающими на поверхности листьями [10]. На каждом исследуемом участке растения отбирали в 5-кратной повторности по 200–300 г фитомассы на повторность, высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали в фарфоровой ступке и озоляли в муфельной печи при 450 °С.

Определение удельной активности 137Cs и 90Sr. Радиологический анализ проб: удельную активность радиоактивных изотопов 90Sr и 137Cs определяли на гамма-бета спектрометре «Гамма Плюс» с использованием программного обеспечения «Прогресс-5».

Математическая обработка данных. Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики и дисперсионного (показатель наименьшей существенной разности – НСР) анализа на 95 % уровне значимости.

Результаты исследования и их обсуждение

Вода. В механизмах поступления радионуклидов в водные объекты важнейшую роль играет расстояние от источников загрязнения, наличия гидрологической связи с водоемами, связанными с загрязненными участками, и удаленность от места впадения водоемов, подвергнутых радиоактивному загрязнению.

Из исследуемых нами водоемов гидрологическую связь с реками, подвергнутыми загрязнению на территории ПО «Маяк», имеют участки в русле р. Тобол. Один из участков расположен в 30 км ниже по течению от впадения р. Исеть, второй – в 42 км ниже по течению. В р. Исеть впадает р. Теча, берущая начало из озера Иртяш в окрестностях ПО «Маяк».

Один из участков старицы р. Тобол расположен в 12 км ниже от впадения р. Исеть и не связан напрямую с основным руслом, второй участок старицы расположен выше по течению от места впадения р. Исеть.

Бессточные озера Имбиряй и Чигиркуль расположены на расстоянии 370 км на северо-восток от ПО Маяк. Озеро Имбиряй находится вблизи от основного русла р. Тобол. Озеро Чигиркуль удалено от р. Тобол на 6 км. Оба озера расположены выше места впадения р. Исеть в р. Тобол. В табл. 2 представлены данные по среднему содержанию радионуклидов в пределах исследуемых участков водных объектов.

Как видно из табл. 2, максимальное содержание радионуклидов установлено в воде р. Тобол на участке, расположенном ближе всех к месту впадения р. Исеть (участок № 1). С увеличением расстояния от впадения р. Исеть содержание 90Sr и 137Cs в воде р. Тобол достоверно снижается. По данным других исследователей [8] в 1995 г. содержание изотопа 90Sr в воде р. Тобол ниже по течению от впадения р. Исеть составляло 235 Бк/м3 т.е. снизилось к настоящему времени в 2,5 раза.

Таблица 2

Содержание радионуклидов в воде исследуемых участков, Бк/м3

Примечание. ± – стандартная ошибка, НСР05 – показатель наименьшей существенной разности при 5 %-ном уровне значимости.

Содержание радионуклидов в воде старицы р. Тобол выше от впадения р. Исеть и в бессточных озерах было минимальным и не отличалось достоверно между этими водоемами.

Изотопы 90Sr являются более подвижными в окружающей среде по сравнению с 137Cs [10], что подтверждается и нашими данными по содержанию радионуклидов в исследованных водоемах.

Донные отложения. Донные отложения на участках основного русла р. Тобол обладали тонко-песчано-глинистым гранулометрическим составом, донные отложения исследованных стариц р. Тобол и озер Имбиряй и Чигиркуль относились к илисто-глинистым по механическому составу. Мелкодисперсные фракции гранулометрического состава являются поглотителями радионуклидов в водоемах.

Таблица 3

Содержание радионуклидов в донных отложениях (слой 0–20 см) исследуемых участков, Бк/кг сухой массы

Примечание. ± – стандартная ошибка, НСР05 – показатель наименьшей существенной разности при 5 %-ном уровне значимости.

Как видно из табл. 3, максимальное содержание радионуклидов отмечено в донных отложениях основного русла р. Тобол ниже по течению от места впадения р. Исеть. По данным других исследований [8] в 1995 г. в донных отложениях р. Тобол вблизи наших участков среднее содержание 90Sr в слое 0–20 см составляло 15,8 Бк/кг, содержание 137Cs – 6,4 Бк/кг. Таким образом, содержание более подвижного изотопа 90Sr снизилось примерно на 36 %. При этом содержание менее мобильного в среде 137Cs практически не изменилось. В старицах р. Тобол и озерах, т.е. водоемах, не связанных с речной сетью, содержание радионуклидов достоверно ниже, чем в русле р. Тобол.

Растения. Как показали наши исследования, содержание радионуклидов в биомассе водорослей кладофора и хара существенно выше, по сравнению с высшими растениями ряской малой и стрелолистом обыкновенным. Более активное поступление 90Sr и 137Cs в ткани водорослей связано с отсутствием у них покровных тканей и поглощением веществ всем телом растения. Следует отметить, что более подвижный изотоп 90Sr накапливается в биомассе всех исследованных растений в большем количестве, чем 137Cs.

В русле р. Тобол содержание 90Sr и 137Cs достоверно снижается с удалением исследуемых участков от места впадения р. Исеть. В старицах р. Тобол и озерах Имбиряй и Чигиркуль содержание 90Sr и 137Cs в макрофитах существенно ниже, чем в основном русле р. Тобол (табл. 4).

По сравнению с водными макрофитами прибрежно-водные растения, произрастающие в пойме р. Тобол на тех же участках [6], более интенсивно накапливают 137Cs, чем 90Sr.

Заключение

Как показали проведенные исследования, повышенное содержание радионуклидов 90Sr и 137Cs в объектах водных экосистем (вода, донные отложения, растения) установлено на участках основного русла р. Тобол в местах, расположенных ниже по течению от впадения р. Исеть. Данные участки связаны в гидрологическом отношении с территорией ПО «Маяк», где размещены большие объемы радиоактивных отходов и ранее имели место испытания ядерного оружия, а также происходили техногенные катастрофы. В период с 1995 г. [8] по настоящее время в исследуемых участках р. Тобол наблюдается снижение содержания 90Sr и 137Cs в воде и донных отложениях. Старицы р. Тобол и озера Имбиряй и Чигиркуль характеризовались достоверно более низким накоплением радионуклидов в компонентах водных экосистем.

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