Радиационная биология. Радиоэкология, 2021, T. 61, № 2, стр. 197-205

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Оз. Малые Кирпичики относится к типичным небольшим “степным блюдцам” с плоским дном и глубиной около 3 м, каких много в лесостепи на Зауральском пенеплене. Его координаты N55°50′38.36; E61°0′34.95 (WGS-84). Установлено, что вода в этом озере гидрокарбонатно-магниевая, содового типа, имеет минерализацию около 200 мг/л и является пресной.

Для водосборной территории озера характерны черноземные почвы различных модификаций, чаще выщелоченные черноземы [1]. Однако в связи с мелкоконтурностью тектонических и геологических структур на Зауральском пенеплене наблюдается мозаичность природных условий, ведущая, в частности, к разнообразию почвенного покрова. Так, под высокотравными березовыми лесами на плакорах формируются темно-серые лесные почвы, а темногумусовый горизонт черноземов в некоторых случаях имел выраженный коричневый оттенок [7].

В общем случае почвы водосбора озер Зауральского пенеплена по отношению к режиму увлажнения можно подразделить на удаленную от водоема ландшафтную элювиальную (преимущественно плакоры) и супераквальную позиции прибрежных ландшафтов. Элювиальные фации имеют периодически промывной режим и характеризуют усредненное (близкое к среднему по данной природной зоне на данной широте) физико-химическое состояние. Супераквальная позиция обеспечивает почве промывной (при определенном удалении от берега – периодически промывной) и выпотной режимы, а также неглубокое положение грунтовых вод. Поэтому супераквальная позиция характеризует частные состояния почв приозерных территорий. Интересны они в связи с повышенным (относительно элювиальных) плодородием. [8].

Пробы воды отбирали с поверхностных (0.2–0.5 м от поверхности) горизонтов батометром Молчанова ГР–18 (Россия) в трех повторностях (по 20 л на повторность для радиохимического анализа). Отбор проб донных отложений осуществляли с использованием стандартного гидрологического оборудования (в частности, поршневая трубка Ливингстона), позволяющего получать образцы с ненарушенной стратификацией.

Для отбора высшей водной растительности использовали стандартные методики [9]. Отобранные макрофиты сортировали по видовой принадлежности, высушивали при постоянном переворачивании, затем измельчали и озоляли в муфельных печах при температуре 800°C. После озоления макрофиты подвергали радиохимическому анализу.

Определение места закладки почвенных разрезов основывалось на исследовании особенностей ландшафтных катен и вычленении в них супераквального и элювиального элементов. При выборе мест закладки был проведен анализ времени последнего антропогенного воздействия на почвы (по целостности почвенных горизонтов), выбрана точка с наименьшей вероятностью механического вмешательства. Супераквальные разрезы закладывали не далее 25 м от берега. Элювиальные почвы (суглинок) отбирали на расстоянии 350 м от берега. Почвенный разрез был сделан на возвышенности, котловина водой не заливалась, в верхних горизонтах почва была сухая, рассыпчатая, в нижних горизонтах тяжелый суглинок.

Удельную активность ⁹⁰Sr в исследуемых образцах определяли на малофоновой β-метрической установке типа УМФ-2000 и пламенно-фотометрическим контролем выхода носителя. Содержание ¹³⁷Cs исследовали в оксалатах γ-спектрометрическим методом на полупроводниковых детекторах типа ДГДК-100, а также на γ-спектрометре фирмы “CANBERA”. Погрешность измерения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs составляет 20% при активности 0.7 × 10^–3 Бк/кг и 10% при больших активностях. Диапазон величины измерения 0.02 × 10^–3–1 × × 10² Бк/кг. Радиохимический анализ проводили в Институте экологии растений и животных УрО РАН (г. Заречный) [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Физико-химические показатели воды оз. Малые Кирпичики не превышают ПДК для вод нецентрализованного водоснабжения [6]. Уровень вмешательства по ⁹⁰Sr в воде составляет 11 × 10^–3 Бк/м³, по ¹³⁷Cs – 5 × 10^–3 Бк/м³. Фоновые значения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs по Уральскому региону составляют 0.09 × × 10^–3 и 0.04 × 10^–3 Бк/м³ соответственно, что обусловлено их содержанием в глобальных выпадениях на исследуемой территории [7, 8].

Донные отложения представлены типичными в этой природной зоне сапропелями. Для анализа распределения удельной активности ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs по профилю донных отложений существенно определение уровня, на котором сейчас находится слой отложений, образовавшийся в год радиоактивной аварии. Слой, в котором находится ил, осевший в год аварии, предположительно соответствует глубине от раздела “вода–отложения” с 28 до 37 см. С момента аварии до 2011 г. (времени отбора проб) прошло 54 года. Следовательно, скорость осадконакопления может быть от 5.2 до 6.85 мм/год. Дополнительный анализ позволяет уточнить горизонт ветрового разноса радиоактивного ила с берегов пересохшего оз. Карачай (1967 г.). Так как со времени разноса прошло 44 года, слой, соответствующий разносу, находится на глубине 23–27 см. Следовательно, скорость осадконакопления может быть от 5.23 до 6.13 мм/год. Исходя из расчетов, наиболее близкими к установленным на высокоэвтрофных озерах ВУРСа скоростям осадконакопления являются значения около 5 мм/год. Следовательно, слой образования ВУРСа лежит на глубине около 28 см, образования КРСа – на уровне 23 см. Период между этими событиями – около 10 лет, что соответствует накопленным 50 мм донных отложений со скоростью около 5 мм/год. Удельная активность попавших в водоем ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs соответствовала их соотношению в аварийном облаке выброса 1957 г. – 10 : 2. Образование КРС в апреле 1967 г. резко изменило соотношение долгоживущих радионуклидов, которое составило 3 : 9.

После аварии 1957 г. в водоеме начался процесс природного распределения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Вероятно, оба они интенсивно вымывались из почв в водоем, захватывались биотой эвтрофного водоема и переотлагались в донных отложениях соответственно этой интенсивности. Картина миграции ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в глубь донных отложений от горизонта аварии сходна с другими озерами ВУРСа: удельная активность ⁹⁰Sr уменьшается резко, активность ¹³⁷Cs снижается постепенно.

Отношение удельных активностей ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs донных отложений, сформировавшихся в аварийный период, соответствует ситуации в озерных экосистемах, расположенных в ближней зоне ВУРСа, и превышает 1. Однако дополнительное внесение долгоживущих радионуклидов в озерную экосистему в 1967 г. изменило соотношение удельных активностей ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs и в настоящее время оно <1. Такая зависимость более характерна для озерных экосистем удаленной зоны ВУРСа.

При радиоактивном загрязнении донных отложений в 1957 г. сформировалось соотношение удельных активностей ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs > 1, характерное для ближней зоны. Загрязнение в 1967 г. сделало это соотношение характерным для дальней зоны (<1). Поэтому можно было ожидать нетрадиционных значений коэффициентов накопления радионуклидов в донных отложениях относительно воды озера. Данные для построения графика (рис. 1), отражающего изменения значений коэффициентов накопления (К_Н) радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs донными осадками (ДО) по глубине колонки относительно воды исследуемого озера, рассчитаны по формуле К_Н = (ДО/H₂O). Главные экстремумы графика отражают горизонт аварии 1957 г. (уровень 28 см), горизонт пылевого разноса 1967 г. (23 см) и миграцию ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в глубь донных отложений (38–63 см). Известно, что в пресных водоемах процессы поглощения ⁹⁰Sr водной высшей растительностью выражены в большей степени, чем для соленых озер, что приводит к накоплению данного радионуклида в верхних слоях илов после сезонного отмирания биоты. Однако характер динамики К_Н⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в верхних слоях ДО вызывает вопрос о биологической доступности внесенного в экосистему озера пылевым разносом ¹³⁷Cs, который стал мигрировать в разы интенсивнее, чем ⁹⁰Sr, и почти на порядок интенсивнее того же ¹³⁷Cs, попавшего в экосистему до ветрового разноса.

Рис. 1.

Изменение удельной активности радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в почвах супераквальной позиции водосборного ландшафта оз. Мал. Кирпичики.

Fig. 1. Changes in ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs specific activity in the soils of superaqual watershed landscape of the lake Malye Kirpichiki.

Установленный характер динамики КН ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в верхних слоях ДО (рис. 2) подтверждается выявлением соотношения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в макрофитах. Так, соотношение ¹³⁷Cs/⁹⁰Sr для рогоза (Tipha latipholia L.) составило 1.46; для телореза (Stratiotes aloides L.) – 2.28; для кубышки (Nuphar lutea L.) – 2.09; для водокраса (Hydrocharis morsus-ranae L.) – 2.15; для кувшинки (Nymphaea alba (L.)Sm.) – 2.52.

Рис. 2.

Значения К_Н радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в верхнем слое донных осадков.

Fig. 2. Values of  ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs accumulation factors in the upper layer of the bottom sediments.

В целях мониторинга радиоактивного загрязнения почв водосборной территории оз. Малые Кирпичики были отобраны пробы в супераквальной и элювиальной позициях приозерного ландшафта (табл. 1 и 2).

Пробы для анализа физико-химических характеристик элювиальной и супераквальной ландшафтной позиций были взяты из почвенных разрезов, не имевших визуальных следов мелиоративной распашки. Однако при анализе были выявлены последствия этого антропогенного вмешательства. Например, при практически равномерном распределении общего углерода по разрезу элювиальной позиции в горизонте 25–30.5 см гуминовых кислот в 7 раз больше, чем фульвокислот (табл. 3). Возможно, именно этот слой близок к перевернутому в результате вспашки поверхностно загрязненному. Обращает на себя внимание увеличение содержания гумуса, полученного щелочной вытяжкой из горизонтов 20–25 см и 25–30.5 см, до значений, близких современным поверхностным. Эти факты свидетельствуют о проведенной вспашке данного участка незадолго после 1957 г.

В почвенном разрезе супераквальной позиции равномерное уменьшение общего углерода нарушается относительными повышениями содержания на уровне 9.5–12 см, 17–22 см и 27–48 см (табл. 4). Предположительно, это погребенные гумусовые горизонты (перевернутые при мелиоративной вспашке), формировавшиеся в результате периодических подтоплений береговой зоны и мощного развития прибрежной растительности, продуцента гумуса, что характерно практически для всех озер восточного склона Среднего и Южного Урала, а также Зауралья.

Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам снижается от 5–9 в поверхностных горизонтах до 1 к низам горизонта В. При существующих режимах увлажнения такая тенденция свидетельствует об аномально высоком содержании гумуса в средних горизонтах разреза. Это может быть следствием мелиоративного перепахивания после аварии 1957 г.

Выявленный в полученных почвенных разрезах гуматный тип почвообразования предполагает малую миграционную способность в них тяжелых металлов. С целью выявления комплекса антропогенного воздействия на почвы водосборной территории оз. Малые Кирпичики оба почвенных разреза были проанализированы на содержание 15 микроэлементов и тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cs, Ni, Co, Ba, Sr, Cd, Fe, Mn, K, Na, Ca, Mg). Все элементы, за исключением Ba в почвенном разрезе элювиальной позиции и Mn в разрезе супераквальной позиции, показали незначительное увеличение содержания в горизонте ВС. Содержание Ba в приповерхностных горизонтах разреза на 20% больше, чем в горизонте ВС, содержание Mn – на 58% больше, чем в горизонте ВС. Возможная причина повышения концентрации Mn – участие биоты в формировании верхних почвенных горизонтов хорошо увлажненных приозерных почв. Количественные оценки изменения микроэлементов и тяжелых металлов по горизонтам почвенных разрезов говорят об отсутствии антропогенного воздействия в этом аспекте. При этом интересен факт резкого увеличения в горизонте ВС “элювиального” разреза содержания Ni и природного Cs, а также Cs и Na в том же горизонте “супераквального” разреза. Вероятная причина – небольшие геохимические аномалии концентрации этих элементов в материнской породе, т.е. геологические условия.

Изменение удельной активности долгоживущих радионуклидов по почвенному профилю элювиальной позиции водосборного ландшафта озера (рис. 3) характеризует несколько событий:

Рис. 3.

Изменение удельной активности радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в почвах элювиальной позиции водосборного ландшафта оз. Мал. Кирпичики.

Fig. 3. Changes in ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs specific activity in the soils of eluvial watershed landscape of the lake Malye Kirpichiki.

– загрязнение ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в период образования ВУРСа и последовавшее за ним перепахивание почвы с заглублением радионуклидов на уровень 32–35 см;

– миграцию радионуклидов глубже 35 см;

– загрязнение верхних слоев почвы ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в период образования КРСа;

– миграцию радионуклидов КРСа с поверхности в глубь почвы.

Непромывной и периодически промывной режим обусловил относительно равномерное распределение долгоживущих радионуклидов по пахотному профилю почвы элювиальной позиции.

Те же события в почвах супераквальной позиции в связи с наличием промывного и выпотного режимов привели к иному распределению удельной активности по разрезу (рис. 1):

– загрязнение ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в период образования ВУРСа и последовавшее за ним перепахивание почвы с заглублением радионуклидов на уровень 23–48 см выражается резким “скачком” содержания ⁹⁰Sr при близком к 0 содержании ¹³⁷Cs;

– миграция радионуклидов глубже 48 см не установлена;

– загрязнение верхних слоев почвы (0–7 см) ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в период образования КРСа четко выражено только в слое 2–4 см;

– миграция радионуклидов КРСа с поверхности в глубь почвы не прослеживается.

Вызывают интерес причины поведения долгоживущих радионуклидов в естественной среде почв. Расчеты коэффициента корреляции Спирмена [6] подтвердили существование тесной зависимости между содержанием органического вещества и радионуклидов в почвенном разрезе супераквальной позиции. Получена высокая корреляция между ⁹⁰Sr, гуминовыми и фульвокислотами, равная 0.89. Между ¹³⁷Cs, гуминовыми и фульвокислотами корреляция еще выше – 0.95 и 0.92 соответственно. В почвенном разрезе элювиальной позиции высокая корреляция наблюдается только для пары ¹³⁷Cs – гуминовые кислоты (0,98). Для пары ⁹⁰Sr – гуминовые кислоты тенденция заметна (0.63); фульвокислоты ни со ⁹⁰Sr (0.45), ни с ¹³⁷Cs (0.4) не коррелируют. Коэффициент корреляции подтверждает контролирующую роль гуматных кислот в почвообразовательных процессах. Возможно, гуматный тип почвы ограничивает миграционный потенциал ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.

ОБСУЖДЕНИЕ

Установленные природные физико-химические показатели воды оз. Малые Кирпичики являются естественными и позволяют использовать ее для нецентрализованного водоснабжения, в частности, водопоя скота. Выявленные превышения рН и Mg²⁺ над нормативами действующего СанПиН невелики и обусловлены в данном случае сезонными изменениями в водоеме.

Радиологические исследования воды озера показали, что она имеет удельную активность ниже уровня вмешательства по ¹³⁷Cs в 40 раз, а по ⁹⁰Sr в 39 раз. Выявленое трехкратное превышение над фоновыми значениями по Уральскому региону как для ⁹⁰Sr, так и для ¹³⁷Cs, также позволяет использовать ее для нецентрализованного водоснабжения.

Представляет интерес факт превышения биодоступности ¹³⁷Cs над ⁹⁰Sr для изученных макрофитов более чем в 2 раза. Одной из возможных причин этого явления может быть увеличение количества ¹³⁷Cs в донных отложениях из-за ветрового разноса ила с оз. Карачай и образования КРСа.

Макрофиты в данной озерной экосистеме играют роль компонента, накапливающего радионуклиды из других сред системы и выводящие их из круговорота веществ и энергии в ней. Захоронение происходит в донных отложениях, поэтому одним из условий хозяйственного использования озерной экосистемы озера является покой донных осадков. То есть разведение роющих рыб является нежелательным.

Скорость осадконакопления для оз. Малые Кирпичики составляет около 5 мм/год, что соответствует его уровню эвтрофности в целом и зарастания в частности. Горизонтом аварии 1957 г. (горизонтом образования ВУРСа) является слой 28 см. Горизонтом ветрового разноса радиоактивной пыли 1967 г. (горизонтом образования КРСа) является слой 23 см. Гравитационная миграция ниже горизонта аварии 1957 г. такая же, как и на других озерах, загрязненных долгоживущими радионуклидами. Миграция радионуклидов в вышележащих горизонтах не так очевидна и требует дополнительных исследований.

Явное преобладание ¹³⁷Cs над ⁹⁰Sr в верхнем слое донных отложений исследуемого озера возникло из-за добавочного (к выпадениям ВУРСа) воздействия аэрального разноса радиоактивной пыли в конце 1960-х годов при образовании КРС. Следовательно, классифицировать удаленность водоемов замедленного водообмена по отношению удельных активностей ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в донных отложениях можно лишь в том случае, если, располагаясь на территории ВУРСа, они не подвергались воздействию аэральных выбросов КРС. Иное соотношение долгоживущих радионуклидов в распространенных ветром пылевидных донных отложениях оз. Карачай (1967 г.) кардинально меняет закономерность, характерную для озер ВУРСа, и требует учета второго этапа загрязнения.

На загрязненной радионуклидами территории можно выделять три области загрязненности: ВУРС, КРС и двойного загрязнения. Поэтому классификация удаленности озер от источника эмиссии по отношению удельных активностей ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в донных отложениях должна иметь, как минимум, три классификационных подразделения: озера в составе ВУРСа; озера в составе КРСа; озера в составе и ВУРСа, и КРСа.

Почвы во всех изученных почвенных разрезах подвергались однократной мелиоративной вспашке после аварии 1957 г. Учитывая результаты физико-химического анализа, можно утверждать, что почвы в месте отбора проб элювиальной позиции ландшафта были вспаханы на глубину около 30 см, супераквальной – на глубину несколько более 30 см.

Загрязнение ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в период образования ВУРСа и последовавшее за ним перепахивание почвы с заглублением радионуклидов создало “всплеск” удельной активности ⁹⁰Sr для элювиальной позиции на уровне 32–35 см, для супер-аквальной – 23–48 см при значительной активности ¹³⁷Cs для элювиальной и практически нулевой – для супераквальной позиции. Миграция ниже этих уровней слабо выражена для элювиальной и не установлена для супераквальной позиции почвенного профиля.

Загрязнение верхних слоев почвы ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в период образования КРСа для элювиальной позиции выражено в слое 0–12 см, для супераквальной – только в слое 2–4 см. Миграция долгоживущих радионуклидов после образования КРС ярко выражена в профиле почвы элювиальной позиции, и ее следы отсутствуют в профиле почвы супераквальной позиции. Причина тому – чередование по сезонам года промывного и выпотного режимов увлажнения почвы супераквальной позиции.

ВЫВОД

Таким образом, анализ радиоэкологического состояния экосистемы оз. Малые Кирпичики позволяет утверждать, что наибольшие опасения вызывают донные осадки и приозерные почвы. Приоритетное использование озер в данном регионе – рыбохозяйственное и (для водосборных территорий) сельскохозяйственное. Разведение растительноядных рыб, проводящих значительное время в контакте с донными отложениями и питающихся их компонентами, для этого озера не рекомендуется. Выращивание сельскохозяйственной продукции на почвах приозерной территории также нежелательно.