Migration of Plutonium, Micro- and Macroelements in the “Soil–Plant” System at Different Soil Moisture

全文:

Исследования по оценке дозовых нагрузок, выполненные на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварий на предприятиях ядерного энергетического цикла, показали, что во многих радиоэкологических ситуациях вклад внутреннего облучения населения за счет потребления содержащих радионуклиды продуктов питания в суммарную дозу сравним или даже выше вклада внешнего облучения [1].

В мировой практике исследований по изучению процессов перехода искусственных радионуклидов и тяжелых металлов (ТМ) в системе “почва–растения” известно достаточно много. И если в отношении тяжелых металлов сформировано определенное понимание их миграционной способности в системе “почва–растение”, то в отношении радионуклидов наблюдается недостаток в первичных данных. Более того, в основном, исследования посвящены переходам таких “традиционных” изотопов, как ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, и гораздо меньшее количество исследований посвящено переходам изотопов плутония.

В мировой практике для количественного описания параметров переноса элементов из почвы в растения используют коэффициенты накопления, рассчитанные как отношение содержания элементов в сухой биомассе растений к их содержанию в сухой почве.

Все значимые результаты мировых исследований по переходу элементов из почвы в растения были обобщены группой экспертов МАГАТЭ и представлены в специальных публикациях [2–4]. В данных публикациях отмечается, что средние значения коэффициента накопления (К_н) для бобовых культур составляют 0.0002–0.48 для Fe, 0.022–2.8 для Mn, 5.4 для Mo, 0.073–2.6 для Ni, 0.91 для Zn, 0.08–0.46 для Cd, 0.005–0.72 для Co, 0.00046–4.9 для Pb.

Большой объем исследований по миграции ТМ в системе “почва–растение” для бобовых культур был проведен во Всероссийском научно-исследовательском институте радиологии и агроэкологии [5]. Например, коэффициенты накопления цинка при выращивании кормовых бобов на дерново-подзолистой почве с содержанием Zn в почве 0–500 мг/кг составили 1.58–4.16, в то время как при содержании свинца в почве 0–1500 мг/кг К_н(Pb) составили 6.9–24.9. Коэффициенты накопления меди бобовыми, выращенными на почвах с концентрацией Cu 0–500 мг/кг, колебались от 0.1 до 1.3.

Коэффициенты накопления плутония приведенные в публикациях МАГАТЭ отличаются высокой вариативностью значений до четырех порядков. Например, диапазон К_н плутония для зерна злаковых культур составляет 2.0×10^–7–1.1×10^–3, для кустарников – 6.4×10^–5–6.6×10^–1. Возможно, это связано с тем, что К_н(Pu) представлены для объединенных групп различных видов растений, а также получены в различных почвенно-климатических условиях.

Значительный объем исследований накопления изотопов плутония дикорастущей растительностью произведен на территории 30 км зоны отчуждения и Полесского радиационно-экологического заповедника [6–10]. Например, К_н плутония для травянистой растительности территории подверженной чернобыльским выпадениям находится на уровне n×10^–2. Так для стеблей злаковых культур диапазон К_н составляет 3.0×10^–3–4.1×10^–1, для осоки – 3.0×10^–3 – 1.4×10^–1.

Обширные исследования были проведены по изучению накопления изотопов плутония дикорастущими и сельскохозяйственными растениями на территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП) [1, 11, 12]. Исследования проводились в естественных условиях, на участках с высоких содержанием плутония (до n×10⁴ Бк/кг), на одном типе почвы в одной климатической зоне, что позволяет предположить, что систематическая погрешность при проведении данных исследований сведена к минимуму. Экспериментальные данные по К_н(Pu) растительностью, полученные при исследованиях, проведенных на территории СИП выше обобщенных данных МАГАТЭ на 1–2 порядка для некоторых с/х культур. Например, среднее значение Кн надземной частью моркови по данным МАГАТЭ составляет 2.2×10^–3, в то время как для территории СИП – 6.9×10^–2, для корнеплода моркови К_н составляет 3.9×10^–4 и 3.9×10^–2 соответственно. На три порядка выше значение К_н плодов баклажана, которые составили 5.5×10^–2 для территории СИП и 6.2×10^–5 по данным МАГАТЭ (данные представлены как плоды не листовых овощей). На два порядка отличаются и К_н для листовых овощей. Так, по данным, средний К_н составляет 8.3×10^–5, в то время как для листовой части капусты, выращенной на территории СИП данный коэффициент составляет 1.2×10^–3.

Такая высокая вариабельность коэффициентов накопления плутония делает актуальным исследования по определению механизмов, влияющих на миграционную способность и доступность его для растительности.

Одним из важнейших факторов внешней среды, от которого зависит химическое состояние органических и минеральных компонентов почв, является режим увлажнения. Развитие окислительно-восстановительных процессов и изменение кислотности почв в результате высушивания или избыточного увлажнения, оказывают значительное влияние на подвижность металлов, вызывая их осаждение, растворение, а также образование комплексных соединений различной прочности с органическим веществом, глинистыми минералами и другими почвенными компонентами. В наибольшей мере таким превращениям подвержены элементы с переменной валентностью.

Прогнозирование развития техногенной обстановки на сельскохозяйственных угодьях, а также разработка комплекса мероприятий по производству продукции с минимальным содержанием токсикантов базируются на знании особенностей миграции радионуклидов микро- и макроэлементов в агроландшафтах и оценке значимости факторов, влияющих на поведение загрязняющих веществ в системе “почва–растение”.

Цель настоящего исследования – изучить влияние увлажнения дерново-подзолистой почвы на накопление плутония, макро- и микроэлементов сельскохозяйственными растениями на примере бобов сорта “Янтарный” в условиях вегетационного опыта.

Материалы и методы

Подготовка почвы

В качестве почвы использована дерново-подзолистая супесчаная окультуренная почва с внесенными удобрениями. Исходные физические и химические показатели почвы представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Основные характеристики дерново-подзолистой супесчаной почвы

Table 1. Main characteristics of sod-podzolic sandy loam soil

Показатель	Величина показателя
Полная влагоемкость, %	36.0 ±1.0
ρHKCl	5.05 ± 0.01
ρHH2O	6.04 ± 0.01
Гумус, %	1.67 ± 0.03
Физическая глина (<0.01 мм)	18.4
Илистая фракции (<2 μм), %	8.8
Hг, мг-экв/100 г почвы	1.89 ± 0.02
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г почвы	5.3 ± 0.1
Обменный K2O, мг/кг (по Масловой)	77.7 ± 1.3
Подвижный P2O5, мг/кг (по Кирсанову)	127 ± 2

 

Отобранную почву высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм.

Просеянную почву массой 30 кг помещали в пластиковую емкость объемом 50 литров. Добавляли водный раствор содержащий элементы питания N, P₂O₅ и K₂O из расчета добавления 200, 100, 100 мг/кг воздушно-сухой почвы соответственно. При тщательном перемешивании вносили 1 л водного раствора ²³⁹Pu концентрацией 11.25 Бк/см³. Общая концентрация плутония в почве составляла 375 Бк/ кг. Почву инкубировали в течение 45 сут при периодическом перемешивании.

После инкубации почвы измеряли концентрацию ²³⁹Pu. Результаты анализа почвы представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Результаты контрольного анализа содержания ²³⁹Pu п подготовленной почве

Table 2. Results of the control analysis of ²³⁹Pu content in prepared soil

Почва	Концентрация 239Pu, Бк/кг		Разница, %
	расчетное количество	полученное в ходе анализа
Дерново-подзолистая супесчаная	375	343 ± 48	8%
		386 ± 54	3%
		368 ± 52	2%
		Среднее – 366	2%

 

Анализ образцов почвы показывает, что расхождение между расчетным и измеренным содержанием ²³⁹Pu в почве не превышает 8٪, при среднем расхождении 2٪.

Проведение вегетационного опыта

Для выращивания бобов использовали сосуды диаметром 22 см и высотой 20 см.

Набивку сосудов осуществляли согласно стандартным методикам проведения вегетационных опытов в агрохимии [13]. На дно сосуда помещали дренаж в виде пластиковых гранул диаметром 5 мм, поверх дренажа укладывали инертный материал и ставилась дренажная трубка. На весах поверх дренажа насыпалась сухая почва ∼3.5 кг с содержанием плутония 375 Бк/кг. В каждый сосуд на весах добавляли расчетное количество воды до соответствующей влажности почвы. Чтобы уменьшить испарение влаги, предотвратить образование почвенной корочки и уменьшить нагрев почвы солнцем, сверху насыпали пластиковые гранулы диаметром 5 мм светло-бежевого цвета. Сосуды с почвой выдерживались 10 дней с ежедневным доливом воды на весах до расчетной массы для достижения равномерного увлажнения почвы в сосуде.

Посев культур проводился проращенными семенами на глубину 0.5 см. Бобы выращивали в закрытой теплице. Условия проведения вегетационного опыта контролировались с помощью регистратора температуры и влажности Elitech GSP-6 с автоматической записью каждый час. Вегетационный период составлял 38 дней. Диапазон температурного режима проведения вегетационных опытов составлял +20–+28^оC, при среднем значении +23°C, влажности воздуха – 45–78٪, при среднем значении 69٪.

Во время вегетационного периода ежедневно проводился контроль массы сосудов с растениями и их долив водой до соответствующей влажности в каждом сосуде. Увеличением массы сосудов за счет прироста массы растений пренебрегали.

Для установления потребления влаги растениями для каждой точки дублировался сосуд с “черным паром”(рис. 1). Расчет потребляемой влаги растениями рассчитывали, как разницу между потерей массы в сосудах с растениями и “черным паром” одинаковой влажности. Поскольку масса растений в сосудах отличалась, проведен перерасчет потребления влаги к единице сухой массы растения. Результаты расчета потребления растениями влаги представлено на рис. 2.

 

Рис. 1 Пример контроля потребления влаги бобами, выращенными при влажности почвы 35٪.

Fig. 1. Example of monitoring moisture consumption of beans grown at 35٪ soil moisture.

 

Рис. 2. Среднее потребление влаги растениями в течение вегетационного периода.

Fig. 2. Average moisture consumption by plants during the growing season.

 

Подготовка проб

По окончании вегетационного периода надземную часть бобов срезали. Отобранные образцы растений сразу после отбора промывали водопроводной водой и ополаскивали дистиллированной водой.

Почву с корневой системой переворачивали на сито диаметром 3 мм, почву отсеивали, с поверхности сита проводили отбор корневой части. Образцы корней вначале промывали на сите водопроводной водой до полного осветления воды и отсутствия видимых частиц минеральной составляющей почвы. Далее корни отмывались под проточной водой при постоянном потирании поверхности пальцами рук с визуальным контролем до полного отсутствия частиц почвы в воде. Отмытые корни опускали в емкость с дистиллированной водой. Воду с корнями перемешивали в течение ∼1 мин, визуально контролируя отсутствие почвенных частиц на дне емкости. При обнаружении почвенных частиц проводили дополнительную отмывку корней.

Образцы надземной и корневой частей рассматриваемых просушивали в сушильном шкафу при температуре 75°C до постоянного веса в течение 10–20 ч.

Анализ проб Анализ содержания плутония

Анализ содержания ^239+240Pu в образцах проводили методом, описанном в [14]. Сухие образцы почвы и растений помещали в керамические тигли, вносили ²⁴²Pu в качестве трассера и проводили отжиг в муфельной печи при температуре 500°С в течение 7–8 ч. Озоленную пробу количественно переносили в тефлоновый стакан и растворяли смесью концентрированных HF, HNO₃ и HCl кислот до полного растворения с получением 7.5 моль/л HNO₃ раствора объемом 50 см³.

Из полученного после разложения раствора отбирали 3 см³ для анализа количественного определения микро- и макроэлементов методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС).

В оставшийся раствор вносили 0.2–0.3 г NaNO₂ для стабилизации плутония в состоянии Pu⁴⁺. Радиохимическое выделение плутония проводилось методом ионообменной хроматографии на анионите АВ-17х8. Элюирование изотопов плутония проводили 5٪ раствором гидроксиламина солянокислого. Из полученного элюента методом соосаждения со фторидом лантана с последующей фильтрацией на мембране из полиэфирсульфона с максимальным размером пор 0.1 µм получали спектрометрические источники плутония.

Измерение удельной активности альфа-излучающих изотопов плутония в подготовленном источнике проводилось α-спектрометрическим методом в α-спектрометрах Alpha Duo, ORTEC в течение 24 ч. Расчет активности изотопов плутония (²³⁹Pu и ²⁴⁰Pu в сумме) выполнялся из соотношения регистрируемых импульсов, исходя из известной активности предварительно введенной в пробу изотопной метки ²⁴²Pu.

Анализ микро- и макроэлементов

Элементный анализ разложенных образцов почв и растительности выполнен методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (МС-ИСП), на квадрупольном масс-спектрометре ELAN-9000 (PerkinElmer SCIEX) и оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ОЭС-ИСП) на оптико-эмиссионном спектрометре двойного обзора OPTIMA-8000DV (Perkin Elmer Inc.).

На обоих инструментах использовали штатный поперечно-поточный распылитель с ритоновой распылительной камерой и типичные операционные параметры [15–17]. Для анализа Cd, Co, Cu, Pb использовали метод МС-ИСП, для Fe, Mg, Mn, Cr, Mo, Ni, Zn – ОЭС-ИСП.

Поскольку навески и концентрации элементов в образцах заметно варьируются, образцы разбавляли деионизованной водой (≤0.2 µS). Коэффициенты разбавления составили от 1 до 7.

Для коррекции инструментального дрейфа во все измеряемые пробы и градуировочные растворы ввели внутренние стандарты ¹⁰³Rh 5 мкг/л (для МС-ИСП) и Sc 0.25 мг/л (для ОЭС-ИСП). Для приготовления градуировочных растворов использованы стандартные образцы (СО) состава металлов производства Perkin Elmer (США): N9300235 (10.0 мкг/мл Mo), N9300233 (10.0 мкг/мл As, Cd, Co, Cu, Pb, Fe, Mg, Mn, Cr, Ni, V, Zn). Приемлемость градуировочной характеристики определена по критерию R2 ≥ 0.9992, где R2 – величина достоверности аппроксимации линейной функции.

Обработка данных

Аналитическая обработка данных проводилась в программном комплексе Microsoft Excel 2019. Средние величины рассчитывались как среднее арифметическое. Погрешность представлена ошибкой среднего.

Результаты

Результаты анализа содержания рассматриваемых элементов в почве, надземной и корневой части бобов представлены в табл. 3.

 

Таблица 3. Содержание плутония, макро- и микроэлементов в почве, надземной и корневой части бобов сорта «Янтарные»

Table 3. Content of plutonium, macro- and microelements in the soil, above-ground and root parts of beans of the “Amber” variety

Вид

Орган

Влажность почвы

Содержание

Fe

Mg

Mn

Cr

Mo

Ni

Zn

Cu

Co

Cd

Pb

Pu

мг/кг

мкг/кг

Бк/кг

Бобы

Надземная часть

15

26 ± 3

550 ± 61

190 ± 21

3.1 ± 0.3

0.89 ± 0.1

2.0 ± 0.3

11 ± 1

1.3 ± 0.2

110 ± 22

6.6 ± 2.0

59 ± 15

3.6 ± 1.0

20

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

5.2 ± 2.0

25

33 ± 4

600 ± 66

170 ± 19

1.7 ± 0.2

0.53 ± 0.06

0.96 ± 0.1

16 ± 2

0.70 ± 0.08

110 ± 22

4.1 ± 1.0

69 ± 17

1.9 ±0.60

30

26 ± 3

490 ± 54

120 ± 13

0.94 ± 0.1

0.43 ± 0.05

0.55 ± 0.07

20 ± 2

0.51 ± 0.06

110 ± 22

14 ± 4

120 ± 30

0.45 ± 0.10

35

13 ± 2

430 ± 47

90 ± 9

0.84 ± 0.09

0.44 ± 0.05

0.48 ± 0.06

16 ± 2

0.37 ± 0.04

71 ± 14

8.4 ± 3.0

48 ± 12

0.31 ± 0.09

40

9.4 ± 1

240 ± 26

45 ± 5

0.95 ± 0.1

0.36 ± 0.04

0.57 ± 0.07

8.9 ± 1.0

0.44 ± 0.05

30 ± 6

3.3 ± 1.0

30 ± 8

0.19 ± 0.06

Корни

15

580 ± 64

1300 ± 140

290 ± 32

7.7 ± 0.8

2.1 ± 0.2

4.5 ± 0.6

21 ± 2

1.7 ± 0.2

990 ± 200

110 ± 33

750 ± 190

74 ± 20

20

420 ± 46

1400 ± 150

350 ± 39

8.8 ± 1

2.6 ± 0.3

5.1 ± 0.7

42 ± 5

1.7 ± 0.2

1000 ± 200

200 ± 60

930 ± 230

68 ± 20

25

400 ± 44

1700 ± 190

360 ± 40

9.2 ± 1

1.8 ± 0.2

5.0 ± 0.7

33 ± 4

1.4 ± 0.2

890 ± 180

180 ± 54

460 ± 120

59 ± 20

30

460 ± 51

1100 ± 120

360 ± 40

4.9 ± 0.5

1.1 ± 0.1

2.5 ± 0.3

23 ± 3

1.2 ± 0.1

810 ± 160

190 ± 57

550 ± 140

39 ± 10

35

350 ± 39

1100 ± 120

350 ± 39

4.7 ± 0.5

1.8 ± 0.2

2.5 ± 0.3

28 ± 3

1.4 ± 0.2

620 ± 120

210 ± 63

490 ± 120

16 ± 5

40

150 ± 17

1400 ± 150

240 ± 26

7.8 ± 0.9

3.0 ± 0.3

4.5 ± 0.6

43 ± 5

1.0 ± 0.1

410 ± 82

110 ± 33

290 ± 73

96 ± 30

Почва

–

–

220 ± 24

730 ± 80

37 ± 4

12 ± 1

36 ± 4

6.2 ± 0.8

10 ± 1

2.3 ± 0.3

1100 ± 220

94 ± 28

3200 ± 800

375 ± 52

 

Обсуждение

На основании результатов анализа проведен расчет коэффициентов накопления плутония, макро- и микроэлементов в образцах растений. Рассчитанные К_н представлены в табл. 4. Средние значения получены как среднее арифметическое.

 

Таблица 4. Коэффициенты накопления плутония, микро- и макроэлементов вегетативными органами бобов сорта “Янтарные”

Table 4. Transfer factors of plutonium, micro- and macroelements by the vegetative organs of beans of the “Amber” variety

Орган

Влажность почвы

Fe

Mg

Mn

Cr

Mo

Ni

Zn

Cu

Co

Cd

Pb

Pu

Коэффициент накопления

10–1

10–1

100

10–1

10–2

10–1

100

10–1

10–1

10–2

10–2

10–3

Надземная часть

15

1.2 ± 0.1

7.5 ± 0.8

5.1 ± 0.6

2.6 ± 3

2.5 ± 0.3

3.2 ± 0.4

1.1 ± 0.1

5.7 ± 0.7

1.0 ± 0.2

7.0 ± 2.0

1.8 ± 0.5

10 ± 2

20

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

15 ± 3

25

1.5 ± 0.2

8.2 ± 0.9

4.6 ± 0.5

1.4 ± 2

1.5 ± 0.2

1.5 ± 0.2

1.6 ± 0.2

3.0 ± 0.4

1.0 ± 0.2

4.4 ± 1.0

2.2 ± 0.6

5.3 ± 1.3

30

1.2 ± 0.1

6.7 ± 0.7

3.2 ± 0.4

0.78 ± 0.09

1.2 ± 0.1

0.89 ± 0.10

2.0 ± 0.2

2.2 ± 0.3

1.0 ± 0.2

15 ± 5

3.8 ± 1.0

1.3 ± 0.4

35

0.59 ± 0.06

5.9 ± 0.6

2.4 ± 0.3

0.70 ± 0.08

1.2 ± 0.1

0.78 ± 0.10

1.6 ± 0.2

1.6 ± 0.2

0.65 ± 0.10

8.9 ± 3.0

1.5 ± 0.4

0.87 ± 0.26

40

0.43 ± 0.05

3.3 ± 0.4

1.2 ± 0.1

0.80 ± 0.09

1.0 ± 0.1

0.92 ± 0.10

0.89 ± 0.10

1.9 ± 0.2

0.27 ± 0.05

3.5 ± 1.0

0.94 ± 0.20

0.53 ± 0.19

Среднее

0.98

6.3

3.3

1.3

1.5

1.5

1.4

2.9

0.78

7.8

2.0

5.5

Корни

15

26 ± 3

18 ± 2

7.8 ± 0.9

6.4 ± 0.7

5.8 ± 0.6

7.3 ± 0.9

2.1 ± 0.2

7.4 ± 0.9

9.0 ± 2.0

120 ± 40

23 ± 6

210 ± 60

20

19 ± 2

19 ± 2

9.5 ± 1.0

7.3 ± 0.8

7.2 ± 0.8

8.2 ± 1.0

4.2 ± 0.5

7.4 ± 0.9

9.1 ± 2.0

210 ± 60

29 ± 7

190 ± 60

25

18 ± 2

23 ± 3

9.7 ± 1.0

7.7 ± 0.8

5.0 ± 0.6

8.1 ± 1.0

3.3 ± 0.4

6.1 ± 0.7

8.1 ± 2.0

190 ± 60

14 ± 4

170 ± 50

30

21 ± 2

15 ± 2

9.7 ± 1.0

4.1 ± 0.5

3.1 ± 0.3

4.0 ± 0.5

2.3 ± 0.3

5.2 ± 0.6

7.4 ± 1.0

200 ± 60

7 ± 4

110 ± 30

35

16 ± 2

15 ± 2

9.5 ± 1.0

3.9 ± 0.4

5.0 ± 0.6

4.0 ± 0.5

2.8 ± 0.3

6.1 ± 0.7

5.6 ± 1.0

220 ± 70

15 ± 4

45 ± 13

40

6.8 ± 0.7

19 ± 2

6.5 ± 0.7

6.5 ± 0.7

8.3 ± 0.9

7.3 ± 0.9

4.3 ± 0.5

4.3 ± 0.5

3.7 ± 0.7

120 ± 40

9.1 ± 2.0

270 ± 80

Среднее

18

18

8.8

6.0

5.7

6.5

3.2

6.1

7.2

180

18

170

 

Коэффициенты накопления плутония и сопутствующих элементов вегетативными органами

Полученные результаты существенно уточняют данные МАГАТЭ. Например, в публикации [2] дана оценка поглощения железа семенами и стручками бобовых культур, для которых диапазон К_н составляет 0.0002-0.14. Для надземной части бобовых культур, оценка накопления железа отсутствует. Полученное значение коэффициента накопления молибдена, равное 1.5, дополняет представленное значение К_н в публикациях МАГАТЭ, равное 5.4, которое было оценено по одному источнику.

Полученный в настоящей исследовании диапазон К_н(Zn) равный 0.9–2.0 со средним значением 1.4 хорошо согласуется с представленными коэффициентами накопления в публикациях МАГАТЭ [2–4] и в работах ВНИИРАЭ [5], имеющих диапазоны в 0.25-13 при среднем значении 0.9 и 0.22–4.16 при среднем 1.5, соответственно.

Диапазон накопления меди в 0.1–1.3 со средним значением 0.5 дополняет представленное значение К_н в публикациях МАГАТЭ, полученное по 1 источнику и составляющее 0.8. По данным ВНИИРАЭ [5], диапазон Кн мели оценивается в 0.01-1.4, со средним значением 0.8.

Полученный диапазон значений К_н для свинца, равный 0.0094–0.038 при среднем значении 0.02 входит в представленный диапазон значений Кн(Pb) в публикациях МАГАТЭ в 0.00046–4.9 [2–4], и ниже полученных во ВНИИРАЭ данных, составляющих диапазон от 0,4 до 24,9 при среднем значении 13 [5]. Возможно это связано с тем, что К_н(Pb) полученные в настоящем исследовании рассчитывались для бобов, выращенных на фоновых концентрациях ТМ в почвах. В то время как в обобщенных данных ВНИИРАЭ К_н свинца представлены для бобовых, выращенных на почвах с разной концентрацией свинца в почве, в том числе и с высокой.

Коэффициенты накопления плутония, полученные в ходе настоящей работы сопоставимы с К_н, представленными в литературных источниках. При этом для надземной части бобовых наблюдаются более высокие значения коэффициентов накопления плутония, чем значения К_н, представленные в публикациях МАГАТЭ. Так в настоящем исследовании среднее значение К_н надземной части бобов составило 5.4×10^–3, что на порядок выше данных МАГАТЭ (5.6×10^–4) [2–4] и на порядок ниже для дикорастущих бобовых культур территории чернобыльских выпадений (3.16×10^–2) [6–10].

Характер распределения плутония в органах растений указывает, что наибольшие концентрации ^239+240Pu наблюдаются в корнях, превышающие концентрации в надземной части до нескольких порядков. Величина превышения коэффициента накопления, рассчитанная как отношение К_н корнями к К_н для надземной части представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Величина превышения коэффициента накопления корневой системой по отношению к надземной части.

Fig. 3. The amount of excess of the transfer factor by the root system in relation to the above-ground part.

 

Разные виды растений накапливают в надземной части и корневой системе разные количества элементов [5, 18]. В литературных данных сведения о распределении ТМ по органам растений неоднозначны. В настоящей работе фиксируется превышение коэффициентов накопления рассматриваемых элементов в корневой части тест-культуры бобы (рис. 3).

Высокую разницу в накоплении плутония разными органами растений, достигающую двух порядков показывают результаты исследований миграции плутония в системе “почва–растение”, проведенных на территории СИП. Например, для томатов К_н для листьев и стеблей по данным [19] составляет 4.8×10^–3 и 1.7×10^–3 соответственно, в то время как для корневой части этот коэффициент оценивается в 2.9×10^–1. Однако для некоторых культур не наблюдается более высоких концентраций плутония в корневой системе. Так для перца наибольший К_н н фиксируется в листьях 1.1 К_н×10^–2, а для стеблей и корней он составляет 1.8 К_н×10^–3 и 9.0×10^–3.

В целом данные литературных источников свидетельствуют о превышении коэффициентов накопления плутония корневой системой в сравнении с надземной частью растений.

Зависимость К_н от влажности почвы

Зависимость коэффициентов накопления, полученных в ходе вегетационных опытов, от влажности почв представлена на рис. 4. Для сопоставления надземной и корневой частей бобов данные представлены в логарифмической шкале по оси ординат.

 

Рис. 4. Зависимость коэффициентов накопления плутония, микро- и макроэлементов в системе “почва— сельскохозяйственное растение” от влажности почв.

Рис. 4. Зависимость коэффициентов накопления плутония, микро- и макроэлементов в системе “почва— сельскохозяйственное растение” от влажности почв.

 

Анализ полученных в ходе вегетационных экспериментов К_н показывает, что особенности накопления плутония в зависимости от увлажненности почв неодинаковы для вегетативных органов бобов.

Из диаграммы 4 видно, что для надземной части бобов значение коэффициента накопления плутония с увеличением влажности почвы снижается. Так при абсолютной влажности почвы 15٪ К_н составил 1.0×10^–2, что на два порядка выше, чем К_н при 40٪ влажности – 5.3×10^–4.

Для большинства микро- и макроэлементов прослеживается тенденция снижения К_н от влажности почв для надземной части растений. В то же время не наблюдается какой-либо зависимости в накоплении Zn, Cd и Pb надземной частью бобов.

Для корневой части бобов не наблюдается однозначной зависимости в накоплении рассматриваемых элементов. Например, при абсолютной влажности почвы 15٪ К_н плутония составил 2.1×10^–1, а при 40٪ влажности — 2.7×10^–1.

На рис. 5 представлены количественные показатели изменчивости К_н (Pu), рассчитанной как отношение максимального значения К_н к минимальному.

 

Рис. 5. Изменчивость коэффициента накопления элементов, рассчитанная как отношение максимального значения к минимальному.

Fig. 5. Variability of the element transfer.

 

Данные диаграммы 5 свидетельствуют, что в целом изменчивость коэффициентов накопления рассматриваемых элементов выше для надземной части бобов. При этом зависимость накопления плутония от влажности почвы существенно выше, чем для других рассматриваемых элементов.

Изменение водного режима почвы приводит и к изменению окислительно-восстановительного потенциала почвы (ОВП). От величины ОВП зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем почвы. Например, ОВП ниже 200 мВ соответствуют резковосстановительным условиям, в которых протекают процессы преобразования и возникают восстановленные формы соединений железа и марганца, образуются сульфиты и нитриты. Накопление последних токсически действует на большинство культурных растений.

Влияние ОВП выражается в превращении минеральных веществ и прежде всего соединений элементов переменной валентности (азота, фосфора, серы, железа, марганца и др.). Так, при развитии контрастного окислительно-восстановительного режима в пахотных горизонтах почвы происходит накопление не силикатных подвижных соединений гидроксидов железа, которые связывают фосфор почвы и удобрений в трудноусвояемые растениями формы.

Другими факторами, влияющими на процесс миграции питательных веществ в системе “почва–растение”, являются процессы изменения в корнях растений при разном увлажнении почвы. Например, в условиях постоянной засухи стенки паренхимы корней становятся толще из-за усиления синтеза суберина, что замедляет отток поглощенных ионов в проводящие ткани и косвенно влияет на поглощение растениями новых ионов. С другой стороны, при избытке воды нарушается аэрация почвы. При этом недостаток кислорода влияет на дыхание корней, что приводит к нарушению поглощения солей. Кроме того, в условиях затопления корни плохо ветвятся и у них образуется мало корневых волосков, что также приводит к нарушению питания растений.

Длительное время транспирационный ток считался одним из обязательных условий поступления веществ из почвы в корень, а затем в надземные органы. Однако более поздние опыты показали, что количество поступивших в растение веществ непропорционально количеству прошедшей через него воды. Таким образом, существует несколько типов питания растений, независящих друг от друга с существенно различающимися механизмами [18].

Следует отметить, что экспериментальные данные потребления воды растениями (рис. 2) показывают увеличение транспирации с увеличением влажности почвы. При этом не наблюдается прямая зависимость в накоплении рассматриваемых элементов бобами. Следовательно, транспирационный ток не является определяющим путем поступления рассматриваемых элементов. Вероятнее всего перенос рассматриваемых микро- и макроэлементов, а также плутония осуществляется другими методами питания, например, с использованием мембранных транспортных белков или в процессе эндоцитоза и экзоцитоза.

Заключение

В ходе вегетационных экспериментов установлено, что накопление плутония, микро- и макроэлементов в зависимости от увлажненности почв неодинаково для отдельных органов бобовых.

Зависимость накопления плутония от влажности почвы существенно выше, чем для других рассматриваемых элементов. С увеличением влажности почвы наблюдается снижение коэффициента накопления плутония для надземной части бобов до двух порядков.

Для Fe, Mg, Mn, Cr, Mo, Ni, Co, Cu наблюдается тенденция к незначительному снижению коэффициентов накопления надземной частью бобов. Для Zn, Cd и Pb не выявлено зависимости накопления надземной частью бобов от влажности почвы.

Для корневой части бобовых зависимости коэффициентов накопления рассматриваемых элементов от влажности почв не наблюдается.

Таким образом, широкий диапазон коэффициентов накопления плутония, представленных в литературных данных, можно в значительной степени объяснить условиями произрастания растений и, в частности, влажностью почв.

Работа выполнена в рамках государственного задания 5ф6.4 “Создание научных основ мониторинга радиоактивно загрязненных территорий и разработка технологий возврата земель, подвергшихся радиоактивному воздействию, в сельскохозяйственный оборот”.

Конфликт интересов

Авторы заявили об отсутствии потенциального конфликта интересов.

作者简介

M. Edomskaya

Russian Institute of Radiology and Agroecology

编辑信件的主要联系方式.
Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3905-4087
俄罗斯联邦, Obninsk

S. Lukashenko

Russian Institute of Radiology and Agroecology

Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6146-4613
俄罗斯联邦, Obninsk

A. Shupik

Russian Institute of Radiology and Agroecology

Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-4651-9199
俄罗斯联邦, Obninsk

D. Zheltov

The Institute of nuclear physics

Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0138-7484
哈萨克斯坦, Almaty

P. Kharkin

The Institute of nuclear physics

Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-3422-3833
哈萨克斯坦, Almaty

V. Makarova

The Institute of nuclear physics

Email: ma.edomskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3615-141X
哈萨克斯坦, Almaty

参考

补充文件