Миграция радионуклидов в почве

Почва является основным источником снабжения в биосферу природных радионуклидов. Под миграцией радионуклидов в почве следует понимать совокупность процессов, ведущих к их перемещениям в почве и обусловливают перераспределение по глубине и в горизонтальном направлении.

В связи с этим выделяют два вида миграции — вертикальную и горизонтальную, которые проходят одновременно и поэтому рассматривать их отдельно нет смысла. Миграционные способности радионуклидов в почве и их включение в биологические циклы определяются большим количеством свойств самих радионуклидов, почвы, различными факторами окружающей среды.

Роль физико-химических свойств радионуклидов. Радионуклиды, попадают в окружающую среду, могут находиться в разной физико химической форме — аэрозолей, гидрозолей, частиц, сорбированных на различных материалах и других. Их подвижность зависит от формы радионуклидов, в которой они поступили в окружающую среду.

Так, радиоактивное загрязнение при аварии на Чернобыльской АЭС обусловлено тремя типами выпадений: твердыми высокорадиоактивными аэрозолями различной дисперсности, газовой фазой отдельных радионуклидов и радионуклидов, расположенными в графитовой матрицы. Последний специфический тип радиоактивных частичок образовался во время горения блоков из графита, который используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов.

Выделяют две основные группы факторов, которые ведут к изменению подвижности и биологической доступности радионуклидов во времени. Первая из них приводит так называемое «старения» радионуклидов. Суть старения в том, что со временем в результате их диффузии в кристаллическую структуру некоторых минералов, образование различных комплексных соединений, агрегатирования частиц в более крупные, уменьшается их подвижность в почве. Хорошо известно старения радионуклидов цезия, следствием которого является постепенное снижение их доступности для корневого усвоения растениями.

Под влиянием второй группы факторов подвижность радионуклидов и их биодоступность, наоборот, могут расти. Так, великодисперсние частицы со временем в почве под воздействием воды, кислорода, деятельности микрофлоры и других факторов могут разрушаться, превращаясь в мелкодисперсные. Радионуклиды, входящие в их состав, переходят из труднодоступных форм в более доступны, которые лучше растворяются в почвенном растворе, быстрее усваиваются растениями.

Большое значение в поведении радионуклидов в почве и их биологической доступности имеют химические свойства, определяющие их способность к адсорбции и образованием комплексных соединений, недоступных для растений. Так, чем выше заряд иона, тем крепче он поглощается почвой и образует более устойчивые соединения с органическими веществами. Чем больше масса и ионный радиус, тем эта способность выражена слабее.

В свободном состоянии ионы радионуклидов поглощаются интенсивнее, чем в гидратированном или сольватированным.

Влияние механического и минералогического состава почвы. Отмечено, что при выращивании растений в условиях водной культуры поступления к ним радионуклидов оказывается значительно более высоким, чем при выращивании на почвах такой же радиоактивности. Это является следствием способности твердой фазы почвы к поглощению и удержанию радионуклидов. Но вполне очевидно, что эта способность у разных типов почв должна быть выражена неодинаково. В значительной степени она зависит от механических и минералогическим составов почвы, который является одним из важных факторов, определяющие характер миграции радионуклидов в почве и их переход в растения.

Сорбционная способность почв возрастает с увеличением дисперсности его механических элементов. Наиболее прочно удерживаются радиоактивные продукты деления иловых фракцией почвы. Кроме того, мелкодисперсные глинистые и иловые фракции почвы содержат большее количество минералов монтморилонитовои группы, слюд и гидрослюд, которые принадлежит в трехслойных минералов, обладающих высокой впитывающию способностю. Преобладающими же минералами фракций песка, даже мелкого, является кварц и полевые шпаты, сорбционные свойства которые очень низкие.

Мелко пылеватые и илистые частицы высокодисперсных фракций почв содержат и большое количество органических веществ, которые также существенно влияют на миграцию радионуклидов. С увеличением содержания гумуса в почве переход в растения радионуклидов снижается. Это связано с тем, что гуминовые и фульвокислоты гумуса имеют высокую способность поглощать и удерживать радионуклиды, а также образовывать с ними комплексные соединения, поступление которых в растения происходит трудно.

В целом перечисленные свойства почв формируют в них определенный неспецифический уровень способности к сорбции и содержание радионуклидов. В порядке возрастания способности различных типов почв сорбировать радионуклиды их можно разделить в такой последовательности: торфяные-подзолистые-дерново подзолистые-серые лесные-щелочные-серозёмы-каштановые-черноземы.

Роль агрохимических свойств почвы. Радионуклиде обычно находятся в почвах в ультрамикроколичествах. Так, при содержании 137Cs 3,7 × 10-4 Бк/м2 (1 Ки/км2) — уровень, выше которого почвы сейчас принято считать загрязненными, массовая его концентрация в пахотном слое составляет 3,9 × 10-12%, а 90Sr — еще меньше — 2,4 × 10-12%.

Это соответствует примерно величине 10-5 г/м2, или 10 г/км2. Такие низкие концентрации радионуклидов в почвах должны вызывать существенную зависимость их поведения от содержания соответствующих стабильных изотопов, элементов, сходных с ними по физико-химическими свойствами некоторых химических характеристик грунтов.

Реакция почвенного раствора по-разному влияет на миграцию радионуклидов. Для большинства из них, в том числе для 90Sr и 137Cs, при росте кислотности снижается прочность закрепления в почве, увеличивается подвижность и поступления в растительности. Некоторые радионуклиды, в частности 59Fe, 60Co, 65 Zn, при повышении рН переходят с ионной формы в разные гидролизные и комплексные соединения и становятся менее доступными для растений.

Очень большое влияние на миграцию и доступность радионуклидов в почвах имеет содержание обменного кальция, который характеризует их так называемую «карбонатность». С увеличением их содержания поступления 90Sr из почвы в растения снижается. Уменьшения поступления 90Sr в растения на карбонатных почвах объясняется конечно двумя причинами. Во-первых, при высоком уровне карбонатов может происходить необменная фиксация радионуклида. Во-вторых, стронций и кальций являются химическими аналогами. При поступлении в растения, как и вообще в живой организм, между ними могут возникать определенные конкурентные взаимоотношения и кальций, как элемент, содержание которого в земной коре (2,96%) на несколько порядков превышает общее содержание стронция (3, 4 × 10-2%), может выступать в роли своеобразного дискриминатора, который ограничивает поступление стронция, в том числе и его радиоактивных изотопов.

В почвах с повышенным содержанием обменных форм фосфора и серы, особенно первых, наблюдается снижение перехода 90Sr в растения за счет соосаждения труднорастворимых и слабо усваиваемых растениями соединений стронция. Поэтому в почвах с повышенным содержанием обменных форм фосфора и серы, особенно первых, наблюдается снижение перехода 90Sr в растения.

Увеличение в почве содержания обменного калия снижает миграцию и поступление в растения 137Cs. С одной стороны, это связано с тем, что при большом количестве в ґрунте калия происходит замена на него всех обменных катионов почвы, увеличивает сорбцию и закрепления цезия. С другой — с тем, что между калием и цезием, как между химическими аналогами, возникают конкурентные отношения при поступлении в растения, схожие с теми, что проявляются между кальцием и стронцием.

Особого внимания заслуживает один из основных природных радиоактивных «загрязнителей» почвы и биосферы — 40K . Его содержание в пахотном слое достаточно большой — 2,7-21,6 × 10-4 Бк/м2 (0,7-5,8 Ки/км2). Миграция 40K в почве, поступления в растении и следующее движение звеньями биологического цепочки полностью определяется поведение его стабильных носителей — 39K и 41K и зависит от многих уже отмеченных свойств почв: карбонатности, реакции среды, содержания различных катионов, и в первую очередь натрия, концентрации анионов и других. Но при всяком уменьшении поступления 40K наблюдается и снижение поступления калия в целом.

Влияние погодно-климатических условий. Движение воздуха, атмосферные осадки, температура окружающей среды и некоторые другие явления, характеризующие особенности погодно климатических условий, играют важную роль в миграции радионуклидов не только в атмосфере, но и в почве. Огромное значение для их распространения имеет движение воздуха, то есть ветер. За счет ветрового подъема с поверхности почвы и переноса становится возможным вторичное чрезвычайно быстрое перемещение радиоактивных веществ на расстоянии десятков километров от места выпадения, что может обусловить загрязнения или повышение уровня загрязнения более чистых почв.

Выделяют три основных вида ветрового подъема почвы: настоящий ветровой подъем — за счет движения воздуха над поверхностью почвы; локальный ветровой подъем — за счет движения воздуха, который создается спецификой рельефа местности, наличием лесных насаждений, зданий; механический ветровой подъем, возникающий при выполнении сельскохозяйственными машинами полевых орбит, движения транспорта.

Сезон года, когда произошло радиоактивное загрязнения среды, в значительной степени определяет взаимодействие радионуклидов с почвой. Она будет минимальной в зимний период при низких температурах и твердых атмосферных осадках. Плюсовые же температуры и высокая влажность почвы летом усиливают ее.

Радиоактивные частицы, попадая на поверхность почвы, вовлекаются в процессы вертикальной миграции вглубь почвы, которые имеют весьма важное значение. Это приводит к снижению мощности дозы излучения радионуклидов над поверхностью почвы, уменьшение их вторичного переноса ветром и поверхностными водами.

В то же время может значительно варьироваться количество радионуклидов, поступающих в растения, переходят в грунтовые воды.

Вообще же процесс вертикальной миграции радионуклидов идет довольно медленно. Так, в зоне аварии на Чернобыльской АЭС на непаханых дерново подзолистых пищаних почвах легкого механического состава через 24 года после выпадения радиоактивных продуктов, около 90% радионуклидов содержалось в верхнем 15-20-сантиметровом слое (рис. 1). На почвах более тяжелого механического состава с богатым грунтовым впитывающим комплексом вертикальная миграция радионуклидов происходит еще медленнее. На всех типах почв 90Sr проникает на большую глубину, чем 137Cs. Это, безусловно, связано с большей растворимостью стронция и «старением» цезия.

Скорость вертикальной миграции радионуклидов 137C s и 90Sr в дерново-подзолистой почве с годами после аварии на Чернобыльской АЭС.

Рис. 1: Скорость вертикальной миграции радионуклидов 137Cs. и 90Sr в дерново-подзолистой почве с годами после аварии на Чернобыльской АЭС.

Значительное влияние оказывают погодно-климатические условия на горизонтальную миграцию радионуклидов — их переноса по поверхности почвы. При сильных ливневых дождях в летне-осенний период возможен значительный смыв радионуклидов с площадей водозборов в водоем и загрязнения ими рек, озер, водохранилищ — источников питьевой и поливной воды. Аналогичная ситуация может возникнуть при формировании мощного снежного покрова в зимний период и резком повышении температуры весной, когда при быстром таянии снега и слабой фильтрации осадков в мерзлый грунт усиливается переноса радионуклидов по поверхности.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*