Закономерности распределения радионуклидов в экосистеме р. Енисей тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.14 ВАК РФ

На правах рукописи

005534490

Бондарева Лидия Георгиевна

Закономерности распределения радионуклидов в экосистеме р. Енисей

Специальности 02.00.14 - Радиохимия 03.02.08 - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

10 ОКТ 2013

Москва-2013

005534490

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Сибирский федеральный университет» и Институте биофизики СО РАН.

Официальные оппоненты:

Д.х.н., профессор Бетенеков Н.Д., УрФУ, Екатеринбург

Д.х.н., профессор Перминова И.В., МГУ, Москва

Д.т.н., в.н.с. Чеботина М.Я., ИЭРиЖ УрО РАН, Екатеринбург

Ведущая организация:

ГЕОХИ РАН, Москва

Защита состоится 11 декабря 2013 г в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 501.001.42 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 10, кафедра радиохимии Химического факультета МГУ, ауд. 308.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.01.42

А.В. Северин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Атмосферные испытания ядерного оружия в середине XX века привели к глобальному загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды (Израэль, 1974; Болтнева и др., 1977). В результате используемых технологий на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) бывшего СССР были загрязнены пойменные ландшафты рек Теча, Томь, Енисей. Авария на ЧАЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г., по масштабам радиоактивного загрязнения окружающей среды превзошла все предыдущие радиационные инциденты.

Мониторинговые исследования природной среды становятся в последние десятилетия важным средством по оценке ее изменения. При этом большое значение приобретает не только определение уровня накопления химических элементов в различных природных объектах и выяснение характера их распространения по площади, но и динамика накопления этих элементов в течение определенного промежутка времени. Особую роль играют стратифицированные образования (торфяники, донные отложения, многолетние льды, годичные кольца деревьев и т.д.). Они представляют огромный интерес при решении проблем, связанных с глобальным изменением климата и химического состава окружающей среды (В.М. Гавшин и др., 2003 и др.). Особенно важно определять не просто общее содержание р.н. и динамику их изменения, но и физико-химические формы радионуклидов., так как именно они определяют их миграционное поведение, биодоступность, а также возможность рекультивации наиболее загрязненных территорий.

В Красноярском крае источником радиоактивного загрязнения окружающей среды долгое время являлось ФГУП «Горно-химический комбинат» (ГХК), расположенное в г. Железногорске на правом берегу р. Енисей, в 50 км ниже по течению от г. Красноярска. С 1958 по 1992 гг. ГХК использовал речную воду для охлаждения прямоточных реакторов серии АД и АДЭ-1, на которых нарабатывался оружейный плутоний. В этот период в сбросовых водах отмечаются в значимых количествах техногенные радионуклиды, которые образовались в результате активации нейтронами примесей (твердых взвесей и растворенных веществ), содержащихся в речной воде (Вакуловский и др., 2008; Кузнецов и др., 1994 и др.). Также отмечался повышенный уровень содержания

з

/

техногенных радионуклидов в донных отложениях и пойменных почвах (Болсуновский и др., 2000; Кузнецов и др., 1999, 2000; Bolsunovsky, Bondareva, 2007). При проведении аэрогаммосъемки в 1972—1973 гг. оконтурена самая крупная в СССР 1100-километровая полоса загрязнения поймы р. Енисей изотопом 137Cs. Помимо 137Cs основными радионуклидами, загрязняющими почвы и донные отложения, являются б0Со и 152'154Eu. После вывода из эксплуатации двух прямоточных реакторов АД и АДЭ-1 (1992 г.) и остановки реактора серии АДЭ-2 (2010 г.) поступление техногенных радионуклидов в р. Енисей было связано в основном со сбросом очищенных траповых вод радиохимического завода.

Особое внимание при изучении поведения техногенных радионуклидов необходимо уделять вторичным загрязнениям, которые характерны для речных систем, зарегулированных гидросооружениями. Плановые и внеплановые сбросы больших объемов воды значительно меняют структуру донных отложений русла реки как за счет интенсивных смывов с береговых участков, так и за счет переноса донных наносов на другие места, способствуя их интенсивному скоплению в заливах и заводях. Примером этому может служить ситуация, сложившаяся на о. Городском, в районе г. Енисейска (300 км ниже ГХК), где удельная активность 137Cs в некоторых местах достигает 16 300 Бк/кг, а мощность экспозиционной дозы (МЭД) — 270 мкР/ч (Сухорукое и др., 2004; Дегерменджи и др., 2002). По существующим нормативам донные отложения и пойменные почвы на этом участке были отнесены к твердым радиоактивным отходам.

Актуальность темы обусловлена тем, что для прогноза пространственно распространения радиоактивного загрязнения речных систем необходимо изучение поведения техногенных радионуклидов в поверхностных водах и понимание закономерностей при взаимодействии радионуклидов с компонентами экосистемы.

В диссертацию включены работы, проведенные автором в ФГАОУ ВПО «СФУ», а также работы, выполненные ранее в лаборатории радиоэкологии Института биофизики СО РАН.

Цель и задачи работы.

Целью работы являлось установить основные механизмы и закономерности взаимодействия 3Н, 60Со, 137Cs, 152Eu,241 Am и др. с компонентами экосистемы р.

Енисей (вода - донные отложения - биота) для прогнозирования пространственного распространения упомянутых радионуклидов и процессов самоочищения поймы речной системы.

Основными задачами были:

- разработать методические подходы на основе имеющихся (например, методика последовательного химического фракционирования), адаптированных (например, альфа-трековый анализ) для конкретных систем и новых методик;

- выявить закономерности поведения техногенных радионуклидов в водном потоке р. Енисей и основные процессы взаимодействия радионуклидов с взвешенным веществом р. Енисей и рассчитать перенос и распространение техногенных радионуклидов в водном потоке от места сброса в пойме р. Енисей;

- установить основные закономерности взаимодействия техногенных радионуклидов с донными отложениями р. Енисей на отдельных участках поймы р. Енисей и определить зависимости миграционной способности радионуклидов от глубины залегания грунта и удаленности его от места нахождения ГХК;

- выявить особенности распределения и определить механизмы накопления 3Н, "Тс, 241Аш, изотопов U наиболее распространенным видом водного растения р. Енисей — Elodea Canadensis',

- установить закономерности взаимодействия трития с компонентами экосистемы р. Енисей (водные растения, донные отложения и пойменные почвы, некоторые виды рыб), выявить вклад аэрозольного переноса трития на общее радиационное загрязнение территории Красноярского края, определить формы нахождения трития, выявить механизмы трансформации трития из НТО в ОСТ и уровни воздействия трития на физиологические функции растения на примере погруженного макрофита Elodea Canadensis.

Научная новизна работы

В ходе работы:

- предложена и усовершенствована методология исследования пресноводной экосистемы, учитывающая характеристику условий окружающей среды и включающая систему методик пробоотбора, предварительной подготовки проб

к анализу, разработку методик, дополняющих известные методики концентрирования элементов, изучения механизмов: взаимодействия радионуклидов с компонентами экосистемы, накопления техногенных радионуклидов биотой и донными отложениями и др.;

впервые проведено исследование распределения радионуклидов экосистемы р. Енисей, включая пресную воду — взвешенное вещество — донные отложения — биота;

— установлены закономерности взаимодействия техногенных радионуклидов с речной водой, взвешенным веществом, донными осадками и биотой р. Енисей;

— на основании полученных в работе данных впервые проведены расчеты абиогенного переноса и распространения техногенных радионуклидов в потоке р. Енисей на участке 15 км от места сброса с последующей аппроксимацией на участок среднего течения р. Енисей;

— впервые выявлены закономерности распределения техногенных радионуклидов по миграционной способности в зависимости от глубины залегания слоя и удаленности от места сброса;

241 А

— впервые установлено локальное распределение Am во внутриклеточном пространстве водного растения Elodea Canadensis и установлены механизмы накопления 99Тс и U в нем;

— впервые создана наиболее полная база данных по содержанию трития в воде, биоте, донных отложениях р. Енисей и в аэрозольных выпадениях в ближней зоне влияния ГХК и на расстоянии 1760 км от места основного сброса, а также в одном из притоков р. Енисей — р. Большая Тель с 2001 по 2012 гг.;

— впервые определена доля необменного трития в грунтах, характерных для поймы реки Енисей и выявлена зависимость от состава и геохимических свойств грунтов;

— установлена доля трития, связанного в органические соединения биомассы растений, предложены механизмы трансформации трития из НТО в ОСТ на примере погруженного водного растения Elodea Canadensis и выявлен уровень воздействия трития на физиологические функции водного растения Elodea Canadensis.

Личный вклад.

В ходе всех этапов исследования, проведенных совместно с коллегами, вклад автора заключался в формировании общей методической базы и адаптации имеющихся методик для выполнения поставленных задач и формирования направленности конкретных работ, получении экспериментальных данных и их интерпретации применительно ко всем этапам исследования.

Автором усовершенствована и применена методика концентрирования антропогенных радионуклидов в пробах воды р. Енисей, которая использована в создании нового сорбционного материала для предварительного концентрирования радионуклидов в пробах воды различного генезиса (Патент № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г.). Автором разработана установка, позволяющая выделять жидкости из биологических объектов (поровую воду и жидкость, связанную с биологическими тканями), которые при выделении практически не теряют своих физико-химических свойств. Это позволило впервые получить данные по содержанию трития в донных отложениях, водных растениях и рыбах. Автором разработана методология проведения исследования и проведены все работы по изучению поведения трития в экосистеме р. Енисей.

Практическая значимость работы

Результаты работы использованы при разработке проекта Министерства экономического развития Российской Федерации государственной программы «Чистая вода» в разделе «Создание концепции программы: «Обеспечение населения края, проживающего в бассейне Среднего Енисея, чистой питьевой водой» на 2010-2012 годы и до 2020 года» от 9 июня 2010 г.

Данные, полученные в результате проведенного комплексного анализа экосистемы р. Енисей, положены в основу создания пространственно-временных сценариев по распространению радионуклидов и процессов самоочищения поймы в пресноводных речных системах, течение которых зарегулировано гидростанциями (Государственный контракт Министерства образования и науки РФ «Обоснование экологических принципов формирования и функционирования региональной системы мониторинга окружающей среды» № 16.512.11.2131 от 25 февраля 2011 г.), а также в базу данных по радиационно-химическому состоянию поймы р. Енисей.

Используемая в работе методика концентрирования техногенных радионуклидов легла в основу создания нового комплекса для предварительной подготовки проб воды различного генезиса — концентрирования радионуклидов. Патент № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г.

Разработано устройство по выделению жидкостей различной природы из геологических и биологических объектов. Устройство позволяет разделить жидкие среды на свободные поровые и на необменные жидкости практически без изменения их структуры, так как температура отгонки ниже температуры кипения воды.

Исследования вносят существенный вклад в формирование общей региональной концепции радиационно-химического состояния р. Енисей на современном этапе и перспектив по реабилитации загрязненных территорий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Распределение техногенных радионуклидов 3Н, 60Со, 137Cs, 152Eu, 24lAm и др. в системе р. Енисей, включая воду, взвешенное вещество, донные отложения и биоту в ближней зоне влияния ГХК и на всем участке среднего течения реки связано с химико-минералогическим составом взвешенного вещества и донных отложений, морфологическими параметрами биологических объектов и физико-химическими свойствами радионуклидов (окислительно-восстановительные свойства, период полураспада и др.).

2. Обоснование и математические расчеты абиогенного переноса техногенных радионуклидов на участке 15 км от места сброса и на среднем течении р. Енисей. Основные параметры для переноса и равномерного распределения радионуклидов по руслу реки, которое устанавливается только после 100 км ниже по течению от места сброса.

3. Ряд убыли миграционной способности: 241Аш > 152Eu >60Со > 137Cs (152Eu > 60Со > 137Cs, 152Eu > 137Cs) — сохраняется на всех исследуемых участках и указывает на зависимость взаимодействия техногенных радионуклидов только от однородности донных отложений и физико-химических свойств исследуемых радионуклидов.

4. Механизмы взаимодействия для 1 Eu, Am с донными отложениями определяется преимущественно ассоциацией с органическим веществом донных отложений и с пленками оксигидроскидов Fe, Мп, тогда как для 137Cs главным образом в результате изоморфного включения в кристаллическую решетку минеральных частиц и ионный обмен с катионами, находящимися на

поверхности частиц донных отложений, для б0Со - образование карбонатов, ассоциация с органическим веществом и пленками оксигидроскидов Fe, Мп.

241 а

5. Особенности микрораспределения техногенного радионуклида Am в структурах водного растения Elodea Canadensis определяются: возрастом растений, видом и внутренним составом клеток, морфологией строения растения.

6. Накопление U и "Тс биомассой растения происходит: на поверхности растения — в результате ионного обмена с соединениями, осажденными на поверхности растений из водного потока, с последующей сорбцией этим осадком (преимущественно в результате физической сорбции), во внутриклеточном пространстве — в результате диффузии и градиента концентрации.

7. Распространение трития в экосистеме р. Енисей зависит от гидрологических параметров водных потоков (скорость течения, водность источника, температура воды), геолого-минералогических свойств донных отложений и пойменных почв (наличие глинистых минералов и органических веществ), морфологических особенностей (возраст, преимущественные источники поступления питательных веществ - водный поток, донные отложения) и места обитания биологических объектов (вблизи береговой линии, в основном русле, на берегу).

8. Накопление трития гидробионтами, так же как перераспределение трития из НТО в ОСТ, не зависит от фотосинтеза, а зависит от температуры водного потока и освещенности. Негативное действие трития на клетки гидробионтов связано с угнетением физиологических функций клеток и разрушением клеточных мембран.

Научные программы, в рамках которых были получены результаты диссертации

Диссертационная работа основана на результатах многолетних исследований (2000-2011 гг.), выполненных автором в рамках Интеграционных проектов СО РАН (№ 30, № 96), РФФИ 99-04-96012-р99енисей, РФФИ 03-05-64437-а, РФФИ 06-04-48124-а, РФФИ 07-04-96813-р_енисей_а, РФФИ «Сибирь» 09-05-98002, в которых автор был ответственным исполнителем; ККФН (Красноярский край) - 2004, РФФИ 08-05-00137 и Государственного контракта Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—

2013 годы»: «Исследование мониторинга состояния окружающей среды или биоразнообразия», № 16.512.11.2131, в которых автор являлся научным руководителем.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: The 5' international conference on Environmental radioactivity in the Arctic and Antarctic (16-20 June, 2002, St.Petersburg), Четвертая Российская конференция «Радиохимия-2003» (20-25 октября 2003 г., Озерск, <ПО «Маяк»>), Environmental Physics Conference (2428 Feb., 2004, Minya, Egypt), II Международный симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (25—30 сентября 2005 г., Краснодар, Россия), Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management, Ulan-Ude (Russia) (Ulan Bator, Mongolia, September 1-8, 2004), Asia-Pacific Symposium on Radiochemistry (October, 2005, Beijing, China), International Congress on Analytical Science (June 25-30, 2006, Moscow, Russia), Пятая Российская конференция «Радиохимия-2006» (23-27 октября 2006 г., Дубна, Россия), Шестая международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (ICNRP-07, 4—7 июня 2007 г., Алматы, Республика Казахстан), Пятая международная конференция «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (15-18 октября 2008 г., Семипалатинск, Казахстан), International Conference on Radioecology and Environmental radioactivity (15-20 June, 2008, in Bergen, Norway), Конференция с международным участием Всероссийского масс-спектрометрического общества (2009 г., Москва, Россия), 12th EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment (14-17 June, 2009, Stockholm, Sweden), «Радиохимия-2009» (Москва, Россия, 12-17 октября 2009 г.), The 9th International Conference on Tritium Science and Technology (24—29 October, 2010, Nara, Japan), IV Международная научно-практическая конференция «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и перспективы развития» (2527 августа 2010 г., Курчатов, Республика Казахстан), International Conference on the Status and Future of the World's Large River (11-14 April, Austria Center Vienna), XI Научно-практическая конференция «Дни науки - 2011: Ядерно-промышленный комплекс Урала» (27—28 апреля 2011 г., 25-26 апреля 2012 г.), «Радиоэкология XXI века», 14-16 мая 2012 г., 1-st workshop «ОВТ (organically bound tritium) and its analysis» (Belaruc les Bien, France, 21-24 May, 2012); «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», Красноярск, 3-8 октября 2012; Шестая Российская конференция «Радиохимия 2012», Димитровград, 15-19

октября 2012.

Работа была представлена на семинаре в Радиевом институте им. Хлопина, г. Санкт-Петербург, на заседании ученого совета Южно-Уральского Института биофизики УрО РАН, г. Озерск Челябинской области, на семинаре по радиохимии в ГЕОХИ им. Вернадского РАН, г. Москва.

Публикации

По результатам работы опубликовано 48 статей, из них 20 - в журналах, входящих в список ВАК РФ, 19 - в зарубежных реферируемых журналах по теме диссертации, а также 9 - в региональных журналах. По результатам работы были опубликованы тезисы в материалах российских и зарубежных конференций и симпозиумов. Общее количества публикаций - 82. Два патента: № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г. и № 2311462 от 27 ноября 2007 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников из 400 наименований. Общий объем работы 319 страницы, включая 70 рисунков, 68 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, заключения, выводов, списка литературы. Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическое значение результатов работы, формулируются основные положения, составляющие предмет защиты.

В обзоре литературы (глава 1) рассматривается проблема радиационно-химического загрязнения пресноводных экосистем. Описываются источники поступления радионуклидов и процессы взаимодействия радионуклидов с компонентами экосистемы. Описываются возможные процессы, протекающие непосредственно в воде, между водой и взвешенным веществом, донными отложениями и водой. Показано, что распределение трассерных элементов между жидкими и твердыми фракциями играет основную роль в распространении, переносе и дальнейшем существовании элемента в водной экосистеме (Куликова Н.В., Чеботина М.Я., 1988; Duursma Е.К., Carroll J.L., 1996). Показано, что проблема миграции физико-химических форм веществ в донных отложениях является важной в понимании того, как минерально-геохимические особенности донных отложений влияют на геохимические циклы водоема.

В главе 2 «Объекты исследования. Методики экспериментов и методы определения» дана краткая характеристика основного района исследования (рис. 1).

Приведены основные характеристики бассейна р. Енисей, гидрохимические и гидрологические параметры реки. Объектами исследования настоящей работы были вода, взвешенное вещество, донные отложения, снег, листовой и хвойный опады, рыба, водные растения, которые отобраны в соответствии с ГОСТами и МУ. Для решения поставленных задач проводились натурные и модельные эксперименты, большая часть которых адаптирована к исследуемым системам непосредственно автором работы.

Так, например, описана усовершенствованная методика концентрирования техногенных радионуклидов, благодаря которой удалось значительно увеличить перечень определяемых радионуклидов с 8 до 21 и которая впоследствии легла в основу создания сорбционного контейнера для предварительного концентрирования элементов техногенных и естественных радионуклидов из воды различного генезиса.

Миграционная способность техногенных радионуклидов в пробах донных отложений исследовалась и использованием метода последовательного химического фракционирования, основанного на методике Tessier, модифицированной немецкими учеными (Klemt et al., 2002; Бондарева и др., 2005, 2008). Методика включает получение шести фракций, составляющих: легкомигрирующую (обменная, адсорбционная фракции) и потенциально мигрирующую (полуторные оксиды и гидроксиды Fe, Мп, органическое вещество) фракции, аморфные силикаты и минеральный остаток, которые были отнесены к немигрирующим фракциям.

Для выявления особенностей микрораспределения техногенного радионуклида 24|Аш в биомассе погруженного макрофита Elodea Canadensis применялся альфа-трековый анализ, ранее использованный только для донных отложений и почв. Метод позволил получить уникальные данные, которые доказывают проникновение техногенного трансуранового радионуклида,

Рис. 1. Карта-схема основного района исследования.

аналогов которому в природе ранее не было, внутрь клеточного пространства растения, что создает потенциальную дозовую нагрузку на живой организм с точки зрения внутреннего облучения.

В главе подробно описаны условия предварительной подготовки и проведения измерения тритийсодержащих проб методом жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии, полученные в ходе выполнения работы. Выявлены условия, позволяющие с максимальной эффективностью измерить содержания трития в исследуемых пробах. Выделение жидкостей из донных отложений, пойменных почв, рыбы, листового и хвойного опадов, водных растений и водорослей проводилось с использованием установки, разработанной автором. С помощью этой установки удается выделить поровую (обменную) и необменную жидкости. Для выявления особенностей накопления и трансформации трития из НТО в ОСТ проведены модельные эксперименты с Elodea canadensis. Для исследования воздействия трития на физиологические функции (фототаксис) использовались побеги растения Elodea canadensis. При этом долю активных хлоропластов рассчитывали как отношение числа хлоропластов, принявших парастрофное положение и отошедших к краям клетки, к общему числу хлоропластов в клетке. Также учитывалась целостность клеточных мембран растения.

В работе использовалось оборудование Института биофизики СО РАН (г. Красноярск), Института химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск), ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск), Института геологии и минералогии СО РАН (г. Новосибирск), Института экологии растений и животных УрО РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва).

Глава 3. Источники поступления и содержание антропогенных радионуклидов в воде р. Енисей

В течение нескольких лет проводился мониторинг содержания техногенных радионуклидов различного происхождения в воде р. Енисей. Проанализировано около 150 проб воды и около 100 фильтров со взвешенным веществом. В результате использования комплекса методов предварительной подготовки проб воды р. Енисей, отобранных как в непосредственной близости от места сброса ГХК, так и на расстоянии от сброса, были получены данные по содержанию техногенных радионуклидов (табл. 1).

Таблица 1. Диапазон содержания гамма-излучающих и альфа-излучающих (изотопов Ри) радионуклидов и урана в пробах воды р. Енисей в районе сброса ГХК, отбор 2006—2008 гг.

1 2 3 4 5 6 7

радионуклид 24Ка "вс "о мМп 60Со 65гп

Диапазон содержания Бк/л 114-481 0.0160.24 0.47-10 0.0050.09 0.0110.27 0.015-0.55 0.0190.23

8 9 10 И 12 13 14

радионуклид "Ъг иМо Ии ""Ии '»вь

Диапазон содержания Бк/л 1.1-18.5 0.034-0.8 0.065-1.5 0.0030.03 0.0250.30 0.006-0.041 0.0030.051

15 16 17 18 19 20 21

радионуклид '"I |4|Се |44Се 239,14ирИ и, мкг/л

Диапазон содержания Бк/л 0.14-0.19 0.031-0.5 0.0150.05 0.0180.13 1.5429.5 (0.84±0.23)* ю-3- (3.16±0.12) *103 0.7-2.7

В пробах воды обнаружены техногенные радионуклиды, имеющие различную природу происхождения: наведенные (активационные) радионуклиды — 24Ыа, 46Бс, 51Сг, 54Мп, 59Ре, 60Со, 65Zn, 76Аэ и др., осколочные радионуклиды - 95Мо, 1245Ь, 1311,1331,141Се, 144Се и др.

Особо выделяются трансурановые радионуклиды — 239Мр, изотопы Ри. В пробах воды, отобранных ниже по течению от ГХК (5 км), на фоне убыли содержания техногенных радионуклидов определены некоторые естественные радионуклиды: 210РЬ и 232ТЬ. Единично в пробах воды отмечено присутствие долгоживущего осколочного изотопа 152Еи (Тщ =13.6 лет) ~0.04-0.06 Бк/л, а также короткоживущего активационного радионуклида 58Со (Ту2 = 71.3 дня) -0.03-0.07 Бк/л. Для предварительного концентрирования использовался в качестве метки радионуклид 241Аш, химический выход которого составлял 9597 %.

Проводились подробные исследования взвеси водного потока р. Енисей и одного из ручьев (руч. Плоский), отнесенного к сбросам ГХК (Носов и др., 2001). Обнаружено, что осадки основного потока содержат частицы кварца, слюд, железосодержащих минералов (лимонит, магнетит) с размером в основном не более 10—15 мкм. Обнаружено значительное количество

14

разнообразных биологических объектов (диатомеи, бентос и др.)- Все минеральные частицы и биота покрыты слоем тонкодисперсных лимонитно-глинистых частиц. На минеральных частицах и органогенном детрите наблюдаются примазки глинисто-лимонитовых частиц. На рис. 2 представлен внешний вид и картирование по суммарному спектру одного из секторов фильтра 1 мкм - проба воды р. Енисей.

Рис. 2. Внешний вид и картирование по суммарному спектру одного из секторов (25 %) фильтра с размером пор 1 мкм, проба воды - р. Енисей: а) внешний вид, б) кислород, в) магний, г) алюминий, д) кремний, е) кальций. Элементный состав (атомные %): С— 63, О— 30.б, 0.3, А/— 1.1, 3.8, К -0.2, С а —0.2.

Вещественный состав твердых взвесей в воде р. Енисей в общем плане соответствует минеральному составу горных пород и продуктов их гипергенеза, слагающих русло и берега реки. Изредка отмечается примесь частиц техногенного происхождения (зольные отходы котельных), особенно такие частицы характерны для воды устья руч. Плоского - район сброса ГХК (рис. 3).

В речной воде радионуклиды могут находиться как в растворенной форме, так и в сорбированном на поверхности или в объеме взвешенных тонкодисперсных твердых частиц. В пункте отбора руч. Плоского — «О км», при

- 24хт

малом времени взаимодеиствия стоков с речной водой радионуклиды т, 60Со, 239Мр, а также 99Мо (-90 %) находятся в основном во фракции < 0.2 мкм (фильтрат). Это могут быть как свободные ионы в истинном растворе

(например, 24Ыа+), так и молекулы или сорбированные ионы в коллоидных частицах размером менее 0.2 мкм.

Рис. 3. Внешний вид и элементный состав фрагментов взвеси руч. Плоского (атомные %): а) С — 34.7, О-42.2, Al-1.2, Si-2.3, Fe- 18.5; б) С - 6.5, О-70.8, Mg-0.6, S-10.8, К-0.5.

Большей частью 46Sc, 214Bi, 1<bRu находятся на взвешенном веществе, причем два последних изотопа - более чем на 90 % в самой крупной фракции (> 5 мкм). Более или менее равномерно распределены по фракциям взвешенного вещества радионуклиды 8:>Sr, mT. В пробах, отобранных возле о. Атамановского (5 км ниже сбросов ГХК), общая активность падает, прежде всего, за счет интенсивного разбавления основным потоком русла реки. Обнаружено перераспределение радионуклидов по размерным фракциям: практически весь 60Со сосредоточился во фракции размером > 1 мкм, существенная часть 2UBi перешла в раствор (фракция < 0.2 мкм), во фракцию 1-0.2 мкм перешло почти 40 % 99Мо и до 70 % 24Na.

Таким образом, в районе сбросов содержание элементов размерной фракции < 1 мкм доминирует, что связано с гидрохимическими параметрами сбросных вод. При смешивании с основным потоком р. Енисей происходит закономерное интенсивное перемешивание водных источников, и протекают процессы перераспределения техногенных радионуклидов между размерными фракциями с последующей седиментацией взвешенных частиц. В свою очередь, взаимодействие техногенных радионуклидов с взвешенным веществом происходит в основном за счет сорбции на поверхности минеральных частиц (например, глинистые минералы) и комплексообразования с органическим веществом (например, детритом), составляющим значительную часть взвеси.

В работе рассматривалась следующая задача — изучение переноса антропогенных радиоактивных загрязнений в речной системе. Исследование ограничивались абиотической формой переноса веществ, так как считается, что вклад биогенной составляющей незначительный (Сухорукое и др., 2004). На

16

основании полученных в представляемой работе результатов и с учетом ряда допущений были проведены расчеты переноса и распространения техногенных радионуклидов на участке р. Енисей от района сброса ГХК (руч. Плоский) до о. Атамановского (ближняя зона влияния ГХК), далее на 15 км и на 330 км вниз по течению от г. Красноярска (участок среднего течения р. Енисей).

В частности, в расчетах было сделано допущение, что концентрации радионуклидов на твердых частицах пропорциональны площадям поверхности частиц. С использованием натурных данных оценивались распределения радионуклидов по фракциям в начальном створе. Затем определялся перенос и осаждение частиц вдоль русла.

Вычислительный алгоритм динамики взвешенных и донных наносов состоял из нескольких этапов, которые включали:

1. Определение скорости течения воды и глубины из решения уравнения Сен-Венана (Белолипецкий и др., 2001).

2. Определение начальных условий: гранулометрический состав донных отложений в створе, концентрация 1-й фракции в створе, начальные распределения концентраций взвешенных наносов у дна в створе, концентрации (средние в поперечном сечении).

3. Задание граничных условий в начальном створе (х = хд).

4. Определение массообмена между дном и водным потоком.

5. Определение концентраций взвешенных и донных наносов и положения границы раздела вода-дно.

6. Расчет гранулометрического состава донных отложений.

7. Оценка радиоактивного загрязнения донных отложений в расчетных створах.

Считая, что каждая фракция загрязнена радионуклидами равномерно: я" 1 = 1,5,",, зная уровень загрязнения в начальном створе: «,"„ = , оценивается уровень загрязнения радионуклидами в створах ниже по течению:

На следующем временном интервале расчеты повторялись с третьего этапа по седьмой.

Ранее предполагалось, что концентрация радионуклидов равномерно распределяется по сечению реки в непосредственной близости от места сброса

и не оценивался участок реки 0—15 км ниже по течению от сброса (Klemt et ah, 2010; Сухорукое и др., 2004). Кроме того, использовались данные по содержанию радионуклидов, полученные в период деятельности прямоточных реакторов ГХК (Вакуловский и др., 1995; Ed.Vakulovsky, (ISTC) Project 1404, 2003; Klemt et ah, 2010).

В представляемой работе расчеты выполнены по предложенной нами методике на участке р. Енисей от района сброса ГХК («0 км») до д. Большой Балчуг («15 км») и далее, на всем участке среднего течения р. Енисей по собственным данным, полученным на момент расчета модели. Показано, что на начальном участке — 100 км от места сброса — еще не происходит полного перемешивания поперек реки. Также учтено состояние реки в районе сброса ГХК (до 15 км от сброса).

В табл. 2 приведен гранулометрический состав донных отложений, их концентрация в начальный момент времени, а также концентрация взвешенных наносов, используемые в расчетах.

Таблица 2. Гранулометрический состав, концентрация в начальный момент времени донных отложений и концентрация взвешенных наносов

1 2 3 4 5 6 7 8

d,, мм 0.0002 0.00045 0.005 0.01 0.075 0.15 0.35 15

Si , г/л 0.0001 0.0005 0.0043 0.0031 0 0 0 0

SidH , 4 8 8 10 10 28 160 1772

кг/м3

Оценено влияние процессов взмучивания-осаждения на перенос примесей в речном потоке, прилегающем к правому берегу р. Енисей на исследуемом участке.

Выполненные расчеты показали, что концентрации самой легкой фракции (< 0.2 мкм) в воде на расчетном участке практически не изменяются, тогда как для более тяжелых фракций (> 1 мкм) наблюдается уменьшение концентраций взвешенных наносов. Уменьшается и уровень загрязнения радионуклидами. Хотя с другой стороны, в натурных данных отмечалось увеличение концентрации фракции > 1 мкм.

Было выяснено, что этот факт не зависел от процесса взмучивания-осаждения, а был связан с образованием более крупных агрегатов за счет коагуляции мелких частиц взвешенного вещества в потоке воды.

В результате проведенных расчетов получено, что в момент сброса большая часть обнаруженных радионуклидов находится в виде растворенных солей или коллоидов размером менее 0.45 мкм. С удалением от места сброса происходит перераспределение радионуклидов в более крупные фрагменты взвешенного вещества (размерная фракция > 1 мкм) за счет протекания процессов коагуляции взвеси. При этом некоторые радионуклиды оседают в непосредственной близости от места сброса. Полученные результаты показали, что равномерное распределение техногенных радионуклидов поперек русла реки наблюдается только на расстоянии 100 км ниже по течению от района сброса ГХК.

Показано, что уменьшение концентрации радионуклидов в водном потоке происходит за счет: 1) разбавления водным потоком, 2) седиментации твердых частиц взвешенного вещества, 3) укрупнения частиц, несущих радионуклиды, взвешенным веществом основного водного потока, то есть за счет увеличения массы минеральной компоненты взвешенного вещества.

Глава 4. Процессы взаимодействия техногенных радионуклидов с донными отложениями р. Енисей

В качестве объектов исследования использовались пробы донных отложений р. Енисей, было проанализировано около 1000 проб донных отложений, отобранных на различной глубине и на разном расстоянии от места сброса ГХК. Анализ проб поверхностного слоя донных отложений (ближняя зона влияния ГХК и на всем участке среднего течения р. Енисей) показал, что минеральные частицы плотно облеплены органическими веществами и глинистыми минералами (рис. 4).

Присутствует значительное количество диатомей, наличие которых характерно именно для проб донных отложений и особенно их поверхностных слоев. Выявленные неоднородности в элементном анализе фрагментов донных

отложений указывали на различный

Рис. 4. Общий вид пробы донных ,

щ 1 генезис частиц (рис. 5).

отложений, отобранной в районе д.

Большой Балчуг.

Рис. 5. Вещественный состав фрагментов пробы донных отложений (слой 0-10 см).

При изучении формы нахождения техногенных радионуклидов б0Со, 137Сз, 152Еи и 241Аш в донных отложениях р. Енисей в ближней зоне влияния ГХК (табл. 3) установлено следующее.

В пробе, отобранной в районе с. Атаманово, 48 % 24|Аш, 60 % 152Еи, 30 % Со и 7 % "'Сб, а в пробе, отобранной в районе д. Большой Балчуг, 82—85 % 24|Ат и 152Еи, 32 % б0Со и 16 % 137Сэ от общего количества радионуклидов в пробе присутствуют в мигрирующих и потенциально мигрирующих формах (фракции I—IV, табл. 3).

В связи с тем, что большая часть радионуклидов Ь2Еи, 241Ат во всех пробах донных отложений связана с органической фракцией (фракция IV) (рис. 6), исследован состав и свойства органического вещества донных отложений.

а) б)

Рис. 6. Корреляционные зависимости между содержанием органического вещества в пробах донных отложениях (Сорг, %) и перешедшими в раствор при разрушении фракции IV («органическое вещество») радионуклидами: а) 152Ей и б) Ат.

В качестве примера рассмотрены результаты анализа органического вещества в пробах донных отложений, отобранных в ближней зоне влияния ГХК (табл. 4).

Таблица 3. Распределение радионуклидов между фракциями донных отложений

Радионуклиды, Бк/кг (% от общего содержания)

Фракции °"Со ü'Cs ,JJEu Am

с. Атаманово д. Большой Балчуг с. Атаманово д. Большой Балчуг с. Атаманово д. Большой Балчуг с. Атаманово д. Большой Балчуг

1, обменная 7±1.4 (1.3±0.3) 3.7±0.7 (2.2±0.4) 26±3 (1.1±0.1) 18±1.7 (3.8±0.4) 16±3 (1.4±0.3) < МДА < МДА" < МДА

II, карбонаты 11±3 (3.0±0.8) 9.7±0.9 (5.8±0.5) 15±3 (0.6±0.1) 9.3±1 (1.9±0.2) 24±3 (2.1±0.6) 22±] (7.0±0.3) 4±1 (7±2) 15±2 (27±4)

III, полуторные оксиды и гидроксиды 47±4 (8.9±0.8) 9.7±1.3 (5.8±0.8) 15±5 (0.610.2) 4.4± 1.4 (0.9±0.3) 17Ш1 (14.8±0.9) 20±2 (6.4±0.6) 4±1 (7±2) 6.6±0.4 (12±1)

IV, органика 61±4 (11.6±0.8) 30±1 (18±1) 80±4 (3.3±0.2) 41±4 (8,б±0.8) 4б5±11 (40±1) 214±6 (68±2) 19±4 (34±7) 25±3 (46±6)

V, аморфные силикаты 30±3 (5.7±0.6) <МДА 23±4 (0.9±0.2) 3±1 (0.7±0.2) < МДА < МДА <МДА <МДА

VI, минеральный остаток 371±14 (70±3) 115±2 (68±1) 2284±122 (93.5±5) 410±29 (84±б) 481±13 (42±1) 58±3 (18.6±0.9) 29±4 (52±7) 8.1±1.1 (15±2)

Исходное содержание, Бк/кг 527±42 168±19 2443±147 486±44 1157±46 314±13 56±7 55±8

* МДА -минимально детектируемая активность.

Получено, что отношение гуминовые кислоты : фульвокислоты : гумина (гумин) составляет 9.4 : 2.9 : 1.0 (о. Атамановский) и 10.4 : 3.3 : 1 (д. Большой Балчуг).

Таблица 4. Содержание органического угчерода в компонентах гуматно-фульватного комплекса образцов донных отложений р. Енисей

С от общего, %

Гуминовые кислоты Фульвокислоты Гумин

I II III Всего 1а I II III Всего

с. Атаманово 23.6 30.3 16.9 70.8 1.5 13.5 н/о 6.7 21.7 7.5

д. Большой Балчуг 31.3 21.1 8.1 60.5 14.8 4.1 н/о н/о 18.9 5.8

Примечание: 1а — низкомолекулярные и свободные фульвокислоты, связанные с подвижными R203nH20; 1 — гуминовые и фульвокислоты, не связанные с кальцием; II — гуминовые и фульвокислоты, связанные с кальцием и неподвижными R20¡nH20; III— гумусовые и фульвокислоты, прочно связанные с глинистыми минерачами и устойчивыми R20¡nH20.

Выявлена зависимость количества техногенных радионуклидов, связанных с органической фракцией, от состава ГФК и, главным образом, от содержания низкомолекулярных и свободных фульвокислот. В связи с тем, что растворимость этой группы ГФК много выше растворимости остальных компонентов органической фракции (Орлов и др., 2005), можно заключить, что возможность переноса радионуклидов, связанных с этими фульвокислотами, водным потоком достаточно высока.

Так, например, при изучении распределения радионуклидов по группам гуматно-фульватного комплекса (ГФК) проб донных отложений о. Атамановский и д. Большой Балчуг обнаружено следующее. Радионуклиды 60Со, 152Eu, 241Аш в органической фракции исследуемых донных отложений р. Енисей находятся преимущественно в виде гуматов (до 25 % от общего количества радионуклидов, связанных с органическим веществом донных отложений) и фульватов (до 30 %), с незначительным вкладом органоминеральных (-6-7 %) и металлоорганических комплексов (~2-3 %).

Обобщенные данные о распределении техногенных радионуклидов ^Со, Cs, Eu,241 Am по миграционной способности в поверхностном слое донных отложений среднего течения р. Енисей выглядят следующим образом. Доля легкомигрирующих форм (фракции: I «обменная», II «карбонаты») составляет: 60Со - 0.7-5.7 %, 137Cs - 0.5-5 %, 152Eu - 1.8-8.4 %, 241 Am - 1.9-14 % от общего

22

содержания радионуклидов. Доля потенциально мигрирующих форм (фракции: III «полуторные оксиды и гидроксиды», IV «органика») составляет: 60Со — 8.8— 35 %, 137Cs - 0.7-12 %, 152Eu - 63-74 %, 241Am - 58-75 %. Доля немигрирующих форм (фракция VI «минеральный остаток») составляет: Со - 62-85 %, Cs -83-95 %, 152Eu - 20-35 %, 241 Am - 16-40 % от общего содержания радионуклидов. Миграционная способность убывает в ряду элементов: 241Ат > 152Eu > 60Со > U7Cs.

При наличии высокоактивных частиц, которые в имеющейся литературе отнесены к «горячим частицам» первого и второго рода (Болсуновский и др., 2000; Гритченко и др., 2001), порядок убыли миграционной способности изменяется. В качестве примера приведен ряд убыли миграционной способности пробы поверхностного слоя донных отложений, отобранных в районе д. Большой Балчуг: шЕи > 137Cs > ^Со я241 Am.

В результате проведенных исследований сделано заключение, что последовательность распределения техногенных радионуклидов по миграционной способности практически не зависит от глубины залегания слоя донных отложений и от удаленности от места сброса, а зависит исключительно от однородности пробы и физико-химических свойств радионуклидов. Это характеризует и равномерное поступление техногенных радионуклидов на всем пространственном континууме на исследуемом участке р. Енисей в определенный период времени.

Для изучения механизмов взаимодействия техногенных радионуклидов с компонентами донных отложений проведены серии модельных экспериментов с загрязненными радионуклидами пробами донных отложений с внесением либо смеси веществ, либо индивидуальных радионуклидов и веществ.

В табл. 5 приведено изменение содержания радионуклидов в системах, в которые было внесено дополнительное количество водорастворимого органического углерода (ВОУ) в виде раствора гуминовых кислот. Введение добавочного количества ВОУ инициировало процессы выделения техногенных радионуклидов 60Со, 152Eu, 241Am, присутствующих в донных отложениях, в жидкую фазу в виде растворимых металлоорганических комплексных соединений. В то время как на радионуклид l37Cs внесение добавочного количества ВОУ практически не повлияло на их миграционную способность.

Таблица 5. Содержание радионуклидов в жидкой фазе системы (.(.донные отложения — вода р. Енисей»: без добавления гуминовой кислоты (I) и с добавлением гуминовой кислоты (II)

Время отбора, сутки ""Со, Бк шС*,Бк шЕч,Бк "'Аш, Бк

I II I II I II I II

' - - - - - - - -

17 - - - - - - - -

44 - - - - - 2.7±0.6 - 0.11±0.05

72 - о.з±ол 0.9±0.3 0.9±0.3 1.0±0.1 3.5±0.2 - 0.6±0.1

96 - 0.5±0.1 0.8±0.2 0.8±0.4 1.3±0.2 4.3±0.4 - 0.6±0.1

150 0.11±0.04 0.8±0.2 0.8±0.2 1.2±0.1 1.4±0.1 5.2±0.3 <0.48 0.8±0.3

Кроме того, были проведены модельные эксперименты с радионуклидами 24'Аш, 242Ри, и и стабильным Ей с донными отложениями р. Енисей. Полученные динамики изменения содержания введенных нуклидов в жидкой фазе от времени взаимодействия фаз приведены на рис. 7.

а)

6)

в)

150 100 50 О

^ П б) 10

и. ■§ 2

мг/л ш

Ей, см" Я 1.5

мг/л 3 О.

ф 1

1

о. 01 0,5

ч

о 0

Время, ч

Время, ч

нее»

Время, ч

Рис. 7. Динамика изменения содержания внесенных нукпидов в жидкой фазе гетерогенной системы «донные отложения — вода р. Енисей» в зависимости от времени контакта с твердой фазой: а) 241 Ат, б) и, стабильный Ей, в) 242Ри.

Наблюдались следующие процессы. С одной стороны, радионуклиды, поступающие в жидкую фазу исследуемой системы, практически сразу связываются с присутствующими ВОУ, с образованием растворимых металлоорганических комплексных соединений. Карбоксильные группы, входящие в состав ВОУ, взаимодействуют в жидкой фазе с другими функциональными группами или с катионами. Следствием этого протекает осаждение образовавшихся комплексов на поверхность слоя донных отложений с образованием органоминерального комплекса.

С другой стороны, поглощение радионуклидов твердой фазой в системе «донные отложения - вода р. Енисей» с рН~7.5 обусловлено их легкой гидролизуемостью в этой области рН, в результате чего образуются смеси из полимерных гидроксо- и аквагидроксокомплексов макрокомпонентов (Si, Fe, A1 и др.) и внесенных радионуклидов. Такие соединения образуют золь, способную затем превращается в гель, и который, в свою очередь, захватывается поверхностью донных отложений или взвешенными частицами.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что радионуклиды 24lAm, 242Pu, U и стабильный Ей взаимодействуют с донными отложениями в результате комплексообразования с органическим веществом системы и образования полимерных пленок, состоящих из гидроксо- и аквагидроксо-комплексов с макрокомпонентами системы - Si, Fe, А1 и др. Повышение концентрации органических веществ в водной среде способствует десорбции радионуклидов, ранее зафиксированных в слое донных отложений, что, следовательно, приводит к включению радионуклидов в процессы переноса веществ водным потоком.

В исследованиях закономерностей, в том числе и корреляций, для установления зависимостей свойств исследуемых объектов от каких-либо параметров этих объектов используют различные статистические методы или математические модели. В работе корреляционные зависимости между формами существования техногенных радионуклидов и минерально-геохимическими характеристиками исследуемых донных отложений были получены с помощью пакета статистических программ Microsoft Office Excel 2003. В результате было установлено, что миграционная способность техногенных радионуклидов самым непосредственным образом связана с минерально-геохимическими свойствами донных отложений, с которыми происходит их взаимодействие. Это выражается в том, что в зависимости от строения, состава кристаллической основы минералов меняется тип осадочных структур, образованных на их поверхности.

Например, при взаимодействии радионуклидов с обменной фракцией донных отложений в результате ионного обмена образуются неустойчивые ассоциаты. В состав исследуемых донных отложений входят карбонатные соединения (до 3.3 масс. %). Однако при незначительных смещениях условного равновесия в слое донных отложений (например, при незначительном закислении донных отложений в результате протекающих процессов гумификации) равновесие может быть смещено в сторону образования

25

гидрокарбонатов или до их полного разрушения. Тем самым в исследуемой системе появляются новые соединения, отличающиеся растворимостью и миграционной способностью. Подтверждением этому служат полученные положительные корреляции для 60Со-СаО, 241 Ат-М§0 и 13'Сэ, выделенного при разрушении фракций «карбонаты» и «органическое вещество» (г2 = 0.91-0.94).

Полуторные оксиды и гидроксиды Бе и Мп, образующие на поверхности минеральных частиц полимерную пленку, связывают значительное количество радионуклидов с переменной степенью окисления. Следовательно, способны образовывать окислительно-восстановительные пары с соответствующим потенциалом, например б0Со-Ре2Оз, 152Еи-Ре2Оз-МпО. С другой стороны, пленка, образованная полуторными оксидами и гидроксидами, имеет заряженные центры, с которыми ассоциируются соединения радионуклидов, с подходящим противоположным зарядом, например 1 "Св-РечО^-МпО, 241Ат-Ре203. Тем самым способствуя образованию смешанных комплексных соединений.

Известно, что железо входит в состав и силикатных, и несиликатных соединений. Схожие по физико-химическим свойствам радионуклиды совместно с Ре могут образовывать подобные соединения.

Радионуклиды, ассоциированные с минеральным остатком (фракции V + VI), связываются либо по механизму изоморфного включения в кристаллические решетки силикатных структур (например, содержание 137Сб коррелирует с содержанием песка и глинистых минералов) (Павлоцкая, 1974), либо в результате образования соединений в межслойном пространстве глинистых минералов (например, взаимодействие 152Еи и 241Ат с глинистыми минералами) (рис. 8), а также в виде нерастворимых соединений, например сульфидов.

В результате проведенных натурных и модельных экспериментов обнаружено, что основными процессами взаимодействия техногенных радионуклидов с донными отложениями р. Енисей являются: 1) ионный обмен с заряженными компонентами, находящимися на поверхности минеральных частиц, с образованием неустойчивых ассоциатов, 2) комплексообразование с органическими веществами, покрывающими поверхность минеральных частиц, 3) встраивание в кристаллические структуры минеральных частиц донных отложений и в межслойное пространство глинистых минералов, 4) образование ассоциатов с полимерными пленками полуторных оксидов и гидроксидов Fe и Мп, также покрывающих частицы донных отложений. При этом глубина залегания слоя донных отложений и удаленность от сброса ГХК не влияет на основные процессы взаимодействия радионуклидов с компонентами донных отложений р. Енисей.

Глава 5. Механизмы накопления и вклад биогенной компоненты в перенос радионуклидов в экосистеме р. Енисей

В биомассе водных растений присутствует значительный перечень накопленных техногенных радионуклидов, таких как 24Na, 46Sc, 51Cr, Mn, Co, 60Co, 65Zn, 76As, 239Np и др. При этом уровень накопления растениями радионуклидов зависит, главным образом, от физиологических особенностей растений: вегетационного периода, источника питания, структуры растения и пр.

Определение механизмов накопления некоторых радионуклидов ( Тс, U, 241 Am) проводилось в серии модельных экспериментов с наиболее распространенным видом водных растений р. Енисей - Elodea canadensis. Этот вид растений обладает уникальными свойствами, связанными с возможностью адаптироваться и развиваться в лабораторных условиях.

В процессе накопления радионуклида241 Am обнаружено, что -75 % изотопа находилось в твердых фрагментах клеток. При этом клеточные мембраны не имели значимых повреждений.

Выявлены некоторые особенности микрораспределения радионуклида в зависимости от физиологического состояния и строения структур Elodea canadensis:

1) между ювенильной и стареющей частями побега, то есть зависимость от возраста побега (рис. 9);

Рис. 9. Побеги разного возраста Elodea canadensis: слева - общий вид препарата, справа - фрагмент альфа-трекового детектора. «Старый» побег расположен вертикально, «молодой» побег отходит от основного стебля влево (участки белого цвета - скопления альфа-треков).

2) между основной частью листовой пластины (клетки зеленого цвета) и отмершими участками листа, то есть зависимость от состояния клеток - живые или мертвые (рис. 10);

Рис. 10. Фрагменты листовых пластин с бурыми пятнами. Слева — общий вид препарата, справа - соответствующий фрагмент альфа-трекового детектора. ATA: 89 часов. Длина маркера -0.3 мм.

3) между клетками основной части листовой пластины, содержащими хлоропласты, и краевыми клетками-зубчиками (клетки бурого цвета, содержащие каратиноиды), то есть зависимость от внутреннего содержания клеток - присутствие или отсутствие хлоропластов (рис. 11);

4) между внешней поверхностью стебля и срединной частью, то есть зависимость от морфологических особенностей стебля растения (рис. 12).

Рис. 11. Фрагмент «молодого» листа с бурой каймой клеток-зубчиков по краю. Слева -общий вид препарата, справа - соответствующий фрагмент альфа-трекового детектора. ATA: 89 часов. Длина маркера -0.3 мм.

Рис. 12. Поперечный срез стебля Elodea canadensis с Am в эпоксидной смоле. Слева -общий вид препарата, справа - соответствующий участок альфа-трекового детектора.

Анализ ультратонких срезов листьев и стеблей Elodea canadensis показал, что скопления частиц тяжелого металла наблюдались в вакуолях (рис. 13).

Рис. 13. Ультратонкие срезы стебля Elodea canadensis - растения, инкубированного с раствором радионуклида.

Рис. 14. Скопления солей америция в вакуоле клетки при увеличении кратности воздействия

радионуклидом.

При увеличении активности и кратности воздействия раствора с 241Ат на растительные клетки отмечалось увеличение содержания электронно-плотных скоплений в вакуолях (рис.14), что также являлось подтверждением тому, что наблюдаемые электронно-плотные конгломераты являются солями америция.

Изучены механизмы накопления изотопов урана. Оказалось, что -90 % 238U находится в обменно-адсорбционном слое на поверхности растения, и только -10 % связалось с его органической компонентой (рис. 15).

Рис. 15. Результаты фракционного разделения изотопов урана из образцов элодеи после эксперимента с внесением 75 мг урана (в виде 238 XJOi+) методами масс-спектрометрии (U - 238U) и галша-спектрометрии (U - 235U): I -обменная фракция, II - адсорбционная фракцш, III- органическая фракция.

В связи с тем, что основная часть ZJ6U находится на поверхности изучаемого растения, это может свидетельствовать о том, что 238U поглощается в результате физической адсорбции. Одновременно с физической адсорбцией протекает и хемосорбция урана с образованием связей между уранил-ионом и заряженными частицами, которые находятся на внешнем слое осажденных ранее соединений. В результате чего образовываются смешанные малорастворимые комплексы урана на поверхности биологического объекта. Физическая и химическая адсорбции вносят примерно равную долю в поглощение урана в изучаемой системе, то есть с живым организмом.

Незначительная часть от всего количества внесенного в систему урана (-10 масс. % 238U) была выделена в жидкую фазу при разрушении органической компоненты образца. Эта доля урана связалась органическими структурами биомассы в результате градиента концентрации урана и его диффузии через клеточные стенки и мембраны элодеи.

В экспериментах по накоплению разных количеств урана (75, 200, 350 мг ' 8U + 235U) растениями Elodea canadensis установлено, что количество поглощенного растениями урана не зависит от его концентрации в водной среде. Полученные данные указывают на то, что изучаемый вид растения имеет определенную емкость поглощения растворенного урана. Рассчитанный максимальный коэффициент накопления урана 238U биомассой Elodea canadensis составил 2778.

В экспериментах с изотопом 99Тс было показано, что на накопление технеция практически не влиял световой режим проведения эксперимента: убыль технеция была одинаковой и составила около 37 % от внесенной активности, большая часть накопленного радионуклида находилась на

Рис. 16. Распределение накошенного 99Тс в биомассе Elodea canadensis после проведения эксперимента по накоплению радионуклида: I — обменная фракция, II — адсорбционная фракция, III - органическое вещество.

Рассчитан максимальный коэффициент накопления технеция биомассой элодеи, величина которого составила 1468±226.

В результате проведенных экспериментов с 99Тс выявлены основные механизмы накопления радионуклида: ионный обмен, сорбция и диффузия внутрь клеточного пространства.

В результате проведенных исследований было установлено, что биомасса водных растений за вегетационный период накапливает значительные количества радионуклидов как естественного, так и техногенного происхождения. При этом большая часть радионуклидов накапливается на поверхности биомассы (до 90 %). Было сделано заключение, что водные растения могут быть использованы как возобновляемый биофильтр для реабилитации водоемов. С другой стороны, биомасса водных растений может участвовать в переносе техногенных радионуклидов на значительные территории, как в виде семенного материала, так и в виде отмерших частиц и целых колоний. Тем самым делая вклад в перенос техногенных радионуклидов в пресноводной экосистеме р. Енисей, которая зависит от сезонности, водности и пр. Основными механизмами накопления радионуклидов являются ионный обмен, сорбция, диффузия во внутриклеточное пространство растений.

Глава 6. Тритий. Перенос в водном потоке и основные процессы взаимодействия с компонентами экосистемы р. Енисей

В течение 2001-2011 гг. проводился мониторинг содержания трития в пробах воды р. Енисей на расстоянии 1760 кг вниз по течению от г. Красноярска. По полученным данным сделано заключение, что общее

поверхности биомассы (рис. 16).

60 п 40 ■ 20 о

□ светлые

□ темные

содержание трития в воде р. Енисей практически на всем участке не превышает допустимых фоновых значений для исследуемого региона и находится в интервале от 4 до 6 Бк/л. Однако в ближней зоне влияния ГХК (рис. 17) и в одном из правобережных притоков р. Енисей - р. Большая Тель (рис. 18) содержание трития существенно превышает фоновые значения и достигает 200 и 68 Бк/л для р. Енисей и р. Большая Тель соответственно.

р.Плоский

® ИЮНЬ

□июль □ август □сентябрь

IÍ

А

fti, m,

а)

2001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

С.Атаманово

□ июль

□ август

□ сентябрь

б)

2002200320042005200620072008200920102011

Рис. 17. Содержание трития в р. Енисей в ближней зоне влияния ГХК: а) пункт отбора -руч. Плоский, б) пункт отбора — с. Атаманово. Отбор - 2001-2011 гг.

70 60 50 40 30 20 10 ■ 0

50 м

■ июнь

□ июль

□ август

□ сентябрь

U

i

50

40

30

20

J

■ июнь

□ июль

□ август

□ сентябрь

И

2001 2002 2003 2004 2005 2007 2008

а) 2001 2002 2003 2004 2005 2007 2008 б)

Рис. 18. Содержание трития в р. Большая Тель: а) пункт отбора - 50 м от устья, б) пункт отбора - 500 м от устья. Отбор - 2001-2008 гг.

Это свидетельствует о том, что тритий поступает в поверхностные водоемы в результате деятельности ГХК. Тем самым подтверждаются сделанные ранее предположения, что существует гидрологическая связь между поверхностными водоемами и полигоном «Северный», в водоносные горизонты которого

закачивались жидкие радиоактивные отходы (Рыбальченко и др., 1994; Носов и др., 2001).

Для учета вклада поступления трития в виде аэрозолей проведено определение содержания трития в листовом опаде и хвое сосны, которые были отобраны в 2010-2012 гг. в районах с различным воздействием ГХК на определенной территории.

Обнаружено, что содержание трития на исследуемых площадях не превышает 15 Бк/м2. Кроме того, содержание трития в снеговом покрове, отобранном в 2010-2012 гг. в ближней зоне влияния ГХК, не превышало 13 000-15 000 Бк/м3. Сделано заключение, что вклад переноса трития в виде аэрозолей незначителен и может не учитываться в общей оценке радиационного загрязнения исследуемой территории.

При изучении взаимодействия трития с донными отложениями и пойменными почвами на всем исследуемом участке р. Енисей (от г. Красноярска до п. Стрелка) обнаружено, что содержание трития не превышает ~2 Бк/кг (~6 Бк/л). Это содержание отнесено к фоновым значениям для изучаемого района, и его происхождение связано с общими глобальными выпадениями трития. При анализе проб поровой воды донных отложений и пойменных почв в р. Большая Тель обнаружено содержание трития значительно больше установленных фоновых значений - до 25 Бк/кг (58 Бк/л), что отнесено поступлению трития из подземных горизонтов полигона «Северный». Кроме того, там же выявлено наличие радионуклида С - до 5.5 Бк/кг (14 Бк/л).

Проведенные модельные эксперименты по изучению процессов взаимодействия трития с геологическими породами различного генезиса показали, что перемещение трития в восходящем потоке к разделу фаз «донные отложения» - «вода» происходит в результате капиллярных явлений. Показано, что геологические породы незначительно удерживают тритий. Это связано как с физико-химическими свойствами трития, присутствующего в окружающей среде преимущественно в виде НТО, так и со свойствами донных отложений и пойменных почв.

Для выявления уровня содержания трития в биологических объектах изучались основные растения, произрастающие в пойме р. Енисей. Проведен анализ содержания трития в филе некоторых видов промысловых рыб - хариус

сибирский (Thymallus arcticus), сиг (Coregonus) и стерлядь (Acipenser ruthenus) (табл. 5). Кроме того, был проведен единичный анализ содержания трития в филе тугуна (Coregonus tugun (Pallas)), выловленного в районе с. Ярцево. Содержание трития в филе составило -18 Бк/кг сырого веса. По полученным результатам было сделано заключение, что содержание трития в филе рыб не зависит от вида и района вылова особей и связано с концентрированием радионуклида по трофическим цепочкам.

Таблица 5. Содержание трития в филе рыб (отбор 2010-2012 гг.), Бк/кг сырого веса (расстояние от г. Красноярска, км)

Район отбора хариус сибирский сиг стерлядь

2010 2011 2012 2010 2011 2011 2012

с. Есаулово (46) 12±2 14±3 13±2 15±3 13±4 н.о. н.о.

с. Атаманово (87) 14±1 11±2 12±3 14±2 н.о. н.о. н.о.

с. Ярцево (685) н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 16±2

г. Игарка (1760) н.о. 13±4 н.о. н.о. 12±4 15±3 17±3

В результате проведения мониторинга содержания трития в биологических объектах р. Енисей (более 30 видов водных, воздушно-водных растений и водорослей) выявлено, что общее содержание трития в растениях для района, расположенного выше по течению р. Енисей от ГХК, варьируется от 4 до 7 Бк/кг сырого веса.

В районе с. Атаманово (в районе сброса ГХК) содержание трития в погруженных водных растениях достигает значения ~51 Бк/кг.

Исследования воздушно-водного растения калужница (СаЬИа), произрастающего в р. Большая Тель показали следующее. Содержание трития в частях растения (корень, стебель, лист) в течение вегетационного периода перераспределяется трития между частями растения (рис. 19). Источником поступления трития рассматриваются донные отложения и водный поток р. Большая Тель, и при этом стебель является проводящей системой от корней к листьям.

Рис. 19. Содержание трития в виде тритиевой воды (НТО, Бк/л) в структурах водного растения калужница (СаЬИа) (лист, стебель, корень) и в воде р. Большая Тель.

июль август сентябрь

Для выявления форм существования трития в рдесте блестящем (Potamogeton Lucens) и элодеи канадской (Elodea canadensis) было проведено разделение общего трития на НТО и ОСТ (рис. 20).

100% -; 50%

«ост

□ НТО

б)

стебель

лист

листья стебель

НТО, % 82 95

овт, % 18 5

листья стебель

НТО, % 78 94

овт, % 22 6

листьев и стеблей рдеста (а) и элодеи (б) (% от общего содержания трития).

Содержание трития в виде ОСТ в листьях исследуемых видов растений больше (-18-22 % от общего содержания трития), чем в стеблях (~ 5-6 %), и связано с тем, что листья имеют большую площадь контакта с водном потоком, несущим тритий, что способствует лучшей трансформации НТО в ОСТ.

Таким образом, тритий поступает в биомассу в виде НТО, поступающего к растениям через водный поток р. Енисей.

В результате проведенных модельных экспериментов оценена накопительная способность трития водным растением Elodea canadensis. В течение первых 72 часов после начала эксперимента убыль трития составила ~25 % от внесенного количества трития в воду. В течение следующих 168 часов проходил добор трития биомассой. Общая убыль трития составила -44 % от внесенной активности (1 кБк/л). В табл. 6 приведены данные содержания и

35

распределения трития по формам существования (НТО и ОСТ) в исходной биомассе и после эксперимента. Изменение содержания трития проводилось по водной среде модельной системы.

Таблица 6. Результаты определения содержания трития и его распределение по формам связывания с биомассой (% от общего трития в биомассе)

Средняя длина побега, см Средний вес побега, г Содержание трития, Бк/кг

сырой сухой НТО ОСТ

Исходные побеги 8.0±0.5 0.59±0.3 0.054 ±0.005 5.5 (97 %) 0.2 (3 %)

Побеги после эксперимента 15±1 0.75± 0.4 0.047 ±0.009 141 (92 %) 12.2 (8 %)

Кроме закономерного увеличения содержания трития в виде НТО наблюдается увеличение доли трития в виде ОСТ - с 3 до 8 %. Тем самым доказывается тот факт, что при хроническом действии трития на биологические системы протекают процессы, связанные с накоплением и значительным удерживанием трития в биологических структурах организма.

Проведены модельные эксперименты по изучению механизмов трансформации НТО в ОСТ на примере Elodea canadensis, с получением зависимости доли ОСТ от температуры окружающей среды (рис. 21) и светового режима в исследуемой системе (табл.8).

ОСТ, %

ост, %

ост, %

Рис. 21. Зависимость доли содержания ОСТ (% от общего содержания) в биомассе растения в зависимости от температуры окружающей среды.

Обнаружено, что доля трития в виде ОСТ в Elodea canadensis сильно зависит от температуры окружающей среды. Оптимальная температура ~ 25 °С (рис. 21).

Содержание ОСТ зависит от режима освещенности. Вероятно, трансформация НТО в ОСТ протекает преимущественно в ночной период в результате физиологических процессов (табл. 7).

36

Таблица 7. Содержание ОСТ (% от общего содержания трития) в биомассе растения в зависимости от режима освегценности

День/ночь, ч 24/0 18/6 16/8 12/12 6/18 0/24

ОСТ, % 3 6 9 15 35 22

В связи с тем, что полученные оптимальные условия трансформации трития из НТО в ОСТ не являются реальными для исследуемого региона - р. Енисей, обнаруженные содержания ОСТ значительно ниже полученных в модельных экспериментах и составляют от 3 до 22 % ОСТ от общего содержания трития в водном растении.

Проведены исследования по выявлению действия трития на клеточные структуры погруженного макрофита Elodea canadensis. Для исследований использовались: вода р. Енисей, содержащая внесенный тритий в виде НТО с различными концентрациями (10, 100, 2900, 6000 Бк/л), и вода оз. Атомного, Республика Казахстан (рис. 22).

Рис. 22. Результаты действия трития на клетки листьев Elodea canadensis в экспериментах: (а, б) с водой р. Енисей: а) контрольная система, 30 суток, б) 2900 Бк/л, 30 суток, в) вода оз. Атомного, 5 суток (содержание трития ~5600 Бк/л в смеси с другими радионуклидами).

Содержание трития в воде оз. Атомном -5600 Бк/л. В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что при концентрации трития 2900 Бк/л через 30 дней после начала эксперимента в системе полностью прекратилось движение хлоропластов.

Клеточные мембраны были разрушены в значительной степени (рис. 226). Несмотря на внешнее благополучие побегов растений в других системах, замечено, что при содержании трития 100 Бк/л движение хлоропластов за 30 суток уменьшилось на 70 %, а при содержании 10 Бк/л - на 25 %. В экспериментах с пробами воды оз. Атомного через 5 суток после начала эксперимента движение хлоропластов уменьшилось на 40 % от исходного

37

значения (рис. 22в). Вероятно, в этом случае летальный эффект наступил бы намного раньше в связи с тем, что радиационно-химический состав воды достаточно сложен и разнообразен.

Заключение

В результате используемых технологий на предприятиях ядерно-топливного цикла в частности Горно-химического комбината ГК Росатома, была загрязнена пойма р. Енисей техногенными радионуклидами, отличающихся природой происхождения и физико-химическими свойствами.

Речные воды обладают способностью к самоочищению, что объясняется постоянным выносом водных масс, выпадением взвешенных радиоактивных частиц на дно водоемов и, частично, процессами сорбции радионуклидов минералами и органическими веществами. Во время половодий происходит обратный процесс - перевод высокоактивных донных осадков во взвешенное состояние, что приводит к многократному возрастанию радиоактивности вод. Для замкнутых и слабопроточных водных систем озерного типа, которые наблюдаются в протоках, заливах реки Енисей, происходит, и далее будет происходить сток радионуклидов с ближайших территорий в котловины водоемов, где они концентрируются в донных отложениях.

Оседающие на дно радионуклиды медленно проникают в грунт на различную глубину в зависимости от степени его рыхлости: в плотных глинистых породах - на 15 см, а в песке и торфе - до 1,5 м. Наряду с сорбцией радионуклидов в донных отложениях происходят и обратные процессы их десорбции в воду. Это взаимосвязанные процессы, динамическое равновесие между которыми наступает при постоянной концентрации радионуклидов в воде, а с уменьшением концентрации - дно может стать источником вторичного загрязнения воды.

Предлагаемые в работе основные подходы, совмещающие комплекс натурных, модельных и вычислительных методов, позволили расширить уровень понимания процессов, связанных с абиогенной и биогенной компонентой миграции техногенных радионуклидов экосистеме р. Енисей, а также позволили показать на равномерность поступления техногенных радионуклидов в пространственном континууме.

Получены уникальные данные по содержанию трития в компонентах экосистемы р. Енисей, определен вклад трития связанного с органическими соединениями и, следовательно, имеющего тенденцию к накоплению по

пищевым цепочкам. Мониторинг содержания трития в воде р. Енисей, показал, что

- в основном русле реки содержание трития составляет 4-6 Бк/л. В ближней зоне влияния ГХК и в одном из правобережных притоках, содержания трития в значительной степени превышает фоновые значения для р. Енисей и достигают 200 и 67 Бк/л, для р. Енисей и р. Большая Тель, соответственно;

- содержание трития в донных отложениях р. Енисей составляет ~2 Бк/кг, на всех исследуемых участках. В донных отложениях р. Большая Тель содержания трития достигает -23 Бк/кг. Кроме того присутствует и 14С (до 5.5 Бк/кг);

- содержание трития в водных растениях, растущих в ближней зоне влияния ГХК, значительно превышает фоновые значения (6-8 Бк/кг) и достигает 51 Бк/кг;

- вклад загрязнения тритием исследуемой территории в виде аэрозолей незначителен и может не учитываться.

- на содержание трития в некоторых видах рыбы не влияет место вылова, при этом концентрация трития составляет 12-20 Бк/кг сырого веса;

- при взаимодействии с биомассой водных растений р. Енисей тритий присутствует главным образом в виде свободной тритиевой воды (НТО) (91 -97.5 %) и в незначительной степени в виде ОСТ (2.5-9 %).

- исследования по воздействию трития на некоторые клеточные функции погруженного макрофита элодея, показали, что уже при 2900 Бк/л происходит нарушение движения хлоропластов с последующим разрушением целостности клеточных мембран.

Впервые получены особенности микрораспределения трансуранового радионуклида 24lAm методом альфа-трекового анализа, которые позволили выявить наиболее уязвимые клеточные структуры водных растений для воздействия техногенных радионуклидов, схожих по химических и физико-химическим свойствам с 241 Am. Определены основные механизмы накопления радионуклидов U и 99Тс одним из наиболее распространенных видом водных растений - Elodea canadensis. Накопление происходит, главным образом, в результате ионного обмена, сорбции на частицах минерального осадка, находящегося на поверхности биомассы и в незначительной степени проникает внутрь клеточного пространства в результате диффузии с градиентом концентрации. Не смотря на то, что вносимые элементы U и Тс изначально находились в виде, катиона UOe2+ и аниона Тс04' механизмы накопления этих

39

элементов одинаковы. Это связано с тем, что первичная сорбция протекает как физическая, затем происходят процессы с участием ферментов, в результате которых меняется степень окисления и(У1)—>и(1У) и Тс(УП)—*Тс(1У), что следствием чего и является тот факт, что механизмы переноса в клеточное пространство одинаково. Накопление радионуклидов гидробионтами происходит по двум основным механизмам: 1) биологическому (поглощение живыми организмами в результате жизнедеятельности) и 2) физико-химическому (концентрирование на поверхности организмов в результате сорбции и соосаждения с макроэлементами). Накопление радионуклидов детритом и отмершими растительными остатками не связано с жизнедеятельностью организмов и имеет химическую или физико-химическую природу.

Таким образом, подтверждено, что основной вклад в перенос техногенных радионуклидов вносит абиогенных перенос водным потоком, взвешенным веществом, донными отложениями. Это связано с гидрологическим режимом водного потока р. Енисей, переносящего громадные водные массы. Но доля переноса радионуклидов биотическим путем также существенна и должна быть учтена в аналогичных исследованиях речных экосистем.

Полученные результаты могут свидетельствовать о потенциальной способности экосистемы реки Енисей к самоочищению от радионуклидов. В этом случае уместно рассмотрение процессов, связанных с естественным перезахоронением загрязненных донных отложений, содержащих, в том числе и накопленные радионуклиды в отмершей биомассе, чистыми слоями, формирующих донных отложения в основном русле, а также смывами с прибрежных участков реки почвенных покровов.

Представленные в работе методические подходы и комплекс решенных задач может быть использован для подобных зарегулированных гидросооружениями речных систем, подвергающихся интенсивному антропогенному загрязнению.

Выводы.

1. Разработаны методические подходы на основе имеющихся (методика последовательного химического фракционирования, определение трития в водных источниках), адаптированных (альфа-трековый анализ) для конкретных реальных систем и новых методик (установка и методика выделения трития из

40

биологических объектов и донных отложений, методика концентрирования радионуклидов из проб воды).

2. Обнаружен значительный перечень техногенных радионуклидов, различающихся физико-химическими свойствами (24Na, 239Np, n7Cs, 239,240Pu и пр.) и природой происхождения. Основные закономерности поведения техногенных радионуклидов в водном потоке реки Енисей определяются изменением их форм нахождения (ионы, коллоиды и др.), скорости перемешивания толщи воды (в зависимости от сброса воды гидросооружением), наличия взвешенных частиц и природы их происхождения (естественный смыв с береговой полосы, фрагменты донных отложений, детрит и пр.). Рассчитано, что только через 100 км вниз по течению от места сброса радионуклиды равномерно распределяются по всему руслу реки, с существенным укрупнением взвешенных частиц во фрагменты размером >1 мкм за счет процесса коагуляции.

3. На миграционную способность техногенных радионуклидов не влияет глубина залегания слоя донных отложений и удаленность района исследований от места сброса ГХК. Влияют преимущественно природа происхождения техногенных радионуклидов, их степень окисления, период полураспада и сродство к минеральным фрагментам донных отложений, а также однородность донных отложений. Обобщенная последовательность убыли миграционной способности выглядит следующим образом: 241Am= l52Eu > 60Со > 13 Cs. Основными процессами взаимодействия техногенных радионуклидов с донными отложениями являются: ионный обмен (137Cs, б0Со), комплексообразование с органическим веществом донных отложений (24lAm, 152Eu, 60Со), изоморфное встраивание в кристаллическую решетку (137Cs), ассоциация с полимерными пленками окси-гидроксидов Fe, Mn (241Am, 152Еи, 60Со).

4. Биомасса водных растений р. Енисей содержит значительный перечень техногенных радионуклидов (24Na, 46Sc, 51Cr, 54Mn, 58Co, 60Co, 65Zn, 76As, 239Np и др.). До 60 % определяемых радионуклидов связано с поверхностью биомассы в результате ионного обмена и сорбции, незначительное количество радионуклидов проникает вовнутрь клеточного пространства за счет градиента концентрации и диффузии. Распределение радионуклида 241 Am внутри клеточных структур наиболее распространенного вида водного растения р. Енисей - Elodea Canadensis зависит от возраста растения, вида и внутреннего состава клеток, морфологии строения растения.

5. Установлены закономерности взаимодействия трития с компонентами экосистемы р. Енисей (водные растения, донные отложения и пойменные почвы, некоторые виды рыб, аэрозольные выпадения). Вклад аэрозольного загрязнения тритием исследуемых территорий может не учитываться, в виду своей незначительности. Основными источниками поступления трития в донные отложения и водные растения реки Енисей являются водный поток. Для реки Большая Тель - водный поток и донные отложения. Обнаружено, что в районе сброса ГХК: превышение содержания трития в воде реки Енисей достигало 50 раз над фоновым содержанием (4-5 Бк/л), в биомассе растений 5-6 раз (6-8 Бк/кг сырого веса). При этом вклад ОСТ достигал 22 %. Содержание трития в филе основных промысловых рыб не зависит от места вылова и вида рыбы и составляет 12-20 Бк/кг сырого веса. Установлен уровень токсического воздействия трития на клеточные структуры водного растения Elodea canadensis, который составил -3000 Бк/л трития в водной среде.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бондарева JL, Власова И., Могильная О., Павленко Н. Изучение распределения техногенного радионуклида Америция-241 во внутреклеточных структурах погруженного макрофита р. Енисей Elodea Canadensis/1 Вопросы радиационной безопасности, 2013. № 1. С. 39-43.

2. Bonilareva L., Mogilnaya О., Vlasova I. Subcellular localization of 241 Am in structural components of submerged macrophyte of the River Yenisei Elodea Canadensis// International Aquatic Research 2012, 4, p. 13-28.

3. Артамонова С.Ю., Бондарева Л.Г., Антонов Е.Ю., Кожевников И.О. Геоэкологическая модель района мирного подземного ядерного взрыва «Кристалл» (Якутия)// Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2012. № 1, с. 56-71.

4. Bondareva L., Zeer G., Gerasimov V., Zhizaev A. Technogenic pollution and its migration in the water flow of the Yenisei River // River Systems, 2012. V. 20, 3-4. P. 149156.

5. Бондарева JI. Миграция техногенных радионуклидов в водном потоке р. Енисей// Радиохимия, 2012. № 1. С. 91-96.

6. Bondareva L. The relationship of mineral and geochemical composition to artificial radionuclide partitioning in Yenisei River sediments downstream from Krasnoyarsk// Environmental Monitoring and Assessment, 2012. 184, № 6. P. 3831-3847.

7. Bondareva L. Natural Occurrence of Tritium in the Ecosystem of the Yenisei River// Fusion Science and Technology, 2011. V. 66, № 4. P. 1304-1307.

8. Сурсякова В. В., Бондарева JI. Г., Бурмакина Г. В., Рубайло А. И. Новые подходы к выявлению источников поступления фенолов в поверхностные водоемы// ДАН, 2011, т. 441, № 6. С. 767-770.

9. Bondareva L., Artamonova S. The influence of the geochemical properties of the mechanisms linking man-made radionuclides in sediments of the Yenisei River// Natural Science, 2011. V. 3, № 7. P. 517-529.

10. Бондарева Л.Г. Механизмы переноса трития в пресноводных экосистемах. Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан, 2011. № 1. С. 10-23.

11. Rozhko Т., Bondareva L., Mogilnaya О., Vydryakova G., Bolsunovsky A., Stom D., Kudryashova N. Detoxification of Am-241 solutions by humic substances: bioluminescent monitoring.// J. Anal Bioanal Chem, 2011, V. 400, № 2, P. 329-334.

12. Бондарева Л.Г. Механизмы массопереноса трития в пресноводных экосистемах. IV Международная научно-практическая конференция «Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и перспективы развития», 25-27 августа 2010 г. Курчатов, Республика Казахстан. С. 14.

13. Bondareva L., Zhizhaev A. Radiation-Chemical Situation of the waters of the middle reach of the River Yenisei (Russian Federation)// Journal of Environmental Science and Engineering, Volume 4, Number 9, September 2010 (Serial Number 34). P. 1-11.

14. Бондарева Л.Г. Новые данные о радиоэкологическом состоянии р. Енисея// Российский химический журнал - ЖРХО им. Д.И. Менделеева, 2010, 3. С. 153-161.

15. Bondareva L., Vlasova I., Mogilnaya О. et al. Microdistribution of 241 Am in structures of submerged macrophyte Elodea canadensis growing in the Yenisei River// Journal of Environmental Radioactivity, 2010. 101, № 1. P. 16-21.

16. Бондарева Л.Г., Калякина О.П. и др. Исследование анионного состава объектов окружающей среды промышленной зоны г. Красноярска методами ионной хроматографии и капиллярного электрофореза// Журнал СибФУ, Химия, 2009, Т. 2, № 4. С. 368-372.

17. Бондарева Л.Г., Болсуновский АЛ. Водный абиогенный массоперенос техногенных радионуклидов на примере реки Енисей, Материалы III Международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека», Томск, 23-27 июня, 2009. С. 98-102.

18. Bondareva L., Bolsunovsky A., Zizaev A., Kalyakina О. Mass transfer of artificial radionuclides and heavy metals in the water flow of the Yenisei River. 12th EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment, 14-17 June 2009, Stockholm, Sweden. P. 16.

19. Бондарева Л., Жижаев А., Болсуновский А. Использование масс-спектрометра «Agilent» в радиационно-химических исследованиях воды реки Енисей. 3-я Всероссийская конференция «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». Москва, 18-21 мая 2009 г. С. 106.

20. Бондарева Л.Г., Помозова Н.В. Изучение влияния различных типов тушения

43

на эффективность измерений трития в объектах окружающей среды// Журнал СФУ. Химия, 2009. Т. 2, № 1. С. 56-60.

21. Бондарева Л.Г., Калякина О.П., Маркова Ю.Ю. Изучение состава гуматно-фульватного комплекса донных отложений реки Енисей в ближней зоне влияния горно-химического комбината Росатома// Журнал СФУ. Химия, 2009. Т. 2, № 2. С. 178-186.

22. L. Bondareva, Bolsunovsky A. Bioavailability of 99Тс to a macrophyte of the Yenisei River//Radioprotection, 2009.44, 5. P. 71-76.

23. Бондарева JI.Г., Болсуновский А.Я. Изучение форм нахождения техногенных радионуклидов 60Со, 137Cs, l52Eu, 241Am в донных отложениях р. Енисей// Радиохимия, 2008. № 5. С. 475-479.

24. Бондарева Л.Г., Болсуновский А .Я., Трапезников A.B., Дегерменджи А.Г. Использование новой методики концентрирования трансурановых элементов в пробах воды р. Енисей. ДАН, 2008. Т. 423, № 4. С. 479-482.

25. Бондарева Л.Г., Калякина О.П. Изучение накопления Fe(III) погруженным макрофитом Elodea Canadensis аналитическими методами: ионной хроматографии, ионометрии и спектрофотометрии // Journal of Siberian Federal University. Chemistry 3 (2008, 1). P. 269-276.

26. Бондарева Л.Г., Калякина О.П., Болсуновский А.Я. Изучение влияния гуминовой кислоты на процессы поглощения-выделения в системе донные отложения - вода р. Енисей методами двухколоночной хроматографии и гамма-спектрометрии// ЖАХ, 2006. Т. 61, № 4. С. 388-392.

27. Бондарева Л., Оробьева А., Болсуновский А., Маматюк В. Взаимодействие Am(III), Eu(III), Fe(III) с гуминовыми кислотами донных отложений реки Енисей. В сб. Пятая Российская конференция «Радиохимия-2006», 23-27 октября 2006 г. Дубна, Россия. С. 310.

28. Bondareva L., Bolsunovsky A., Investigation of mobility of artificial radionuclides in sediments of the Yenisei River: methodological aspects. In: International Congress on Analytical Science, June 25-30, 2006. Moscow, Russia. P. 333.

29. Болсуновский А.Я., Бондарева Л.Г., Казбанов В.И. Изучение механизмов биосорбции изотопов урана на примере одного из видов водных растений (Elodea Canadensis) реки Енисей// Вестник КрасГУ. Естественные науки, 2005. С. 70-73.

30. Бондарева Л.Г., Калякина О.П., Полынцева Е.А. Изучение влияния водорастворимого органического углерода на поведение анионов в жидкой фазе системы «донные отложения - вода реки Енисей» с использованием метода двухколоночной ионной хроматографии// Вестник КрасГУ. Естественные науки, 2005. С. 31-33.

31. Бондарева Л.Г., Болсуновский А.Я. и др. Оценка миграционной способности трансурановых радионуклидов (241Ат, изотопов Ри) и 152Еи в донных отложениях реки Енисей методом химического фракционирования: модельные эксперименты//

44

Радиохимия, 2005. Т. 47, № 4. С. 379-384.

32. Bondareva L., Bolsunovsky А. Tritium in surface water of the Yenisei River basin. Proceeding of the Environmental Physics Conference, 24-28 Feb., 2004. Minya. Egypt. P. 59-68.

33. Бондарева Л.Г., Жаровцева С.А. Определение содержания трития в объектах окружающей среды// Вестник КрасГУ, сер. Аналитическая химия, 2003. № 2. С. 127128.

34. Бондарева Л.Г., Каверзина Ю.В., Богданова В.В., Мазняк Н.В. Изучение форм связывания урана с поглощающим комплексом донных отложений реки Енисей// Вестник КрасГУ, сер. Аналитическая химия, 2003. № 2. С. 129-132

35. Bolsunovsky A.Ya., Bondareva L.G. Tritium in surface waters of the Yenisei River basin// Journal of Environmental Radioactivity, 2003. V. 66. P. 285-294.

36. Каверзина Ю.В., Бондарева Л.Г., Качин C.B. Физико-химические особенности взаимодействия техногенных радионуклидов с почвенным комплексом поймы р. Енисей// Вестник КазНУ, серия химическая, 2002, № 6. С. 27-29.

37. Бондарева Л.Г., Болсуновский А.Я. Изучение взаимодействия техногенных радионуклидов с частицами пойменных почв методом химического фракционирования// Радиохимия. 2002. Т. 44, № 6. С. 542-544.

Патент РФ № 2311462 от 27 ноября 2007 г. «Биолюминесцентный способ мониторинга радиотоксичности раствора».

Патент РФ № 2011149436 (РФ) от 07.12.2011 г. «Универсальное устройство для предварительной подготовки проб воды различного генезиса».

Благодарность: сотрудникам лаборатории радиоэкологии ИБФ СО РАН, особая благодарность зав. лабораторией радиоэкологии ИБФ СО РАН Болсуновскому А.Я., сотрудникам кафедры радиохимии МГУ им В.М. Ломоносова, ИВМ СО РАН, ИГМ СО РАН, ИХХТ СО РАН, ИГЛ ИМЗ СО РАН, ИЭРиЖ УрО РАН, ЦКП СФУ.

Благодарность проректору по науке и международному сотрудничеству СФУ С.В. Верховцу, начальнику НИЧ СФУ С.В. Первухину, проректору по учебной работе СФУ Н.В. Гафуровой, директору ИЦМиМ СФУ В.Н. Баранову.

Подписано в печать 16.09.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ № 3177 Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru