137cs и 90sr по фракциям органического вещества серо-коричневой почвы суар кнр и поглощение их растениями из водных растворов и разных почв в присутствии различных лигандов (специалность-
На правах рукописи
Айкэбайэр Илахун Распределение 137Cs и 90Sr по фракциям органического вещества серо-коричневой почвы СУАР КНР и поглощение их растениями из водных растворов и разных почв в присутствии различных лигандов (Специалность-03.00.27 – почвоведение 06.01.04 – агрохимия)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва-2009
Работа выполнена на кафедрах почвоведения и радиологии Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А.Тимирязева Научные руководители – доктор биологических наук, профессор Анатолий Иванович Карпухин доктор биологических наук, профессор Сергей Порфирьевич Торшин Официальные оппоненты – доктор биологических наук, профессор Лев Оскарович Карпачевский кандидат биологических наук, профессор Николай Константинович Сюняев Ведущая организация – ГНУ «ВНИИ агрохимии имени Д.Н.Прянишникова».
Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 14 час. 30 мин. На заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А.Тимирязева.
Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Учёный совет РГАУ– МСХА имени К.А.Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ–МСХА имени К.А.Тимирязева.
Автореферат разослан «28» ноября 2009 г. и размещён на сайте университета www.timacad.ru Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Т.В.Шнее ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность темы. Несмотря на то, что история аварии на ЧАЭС насчитывает уже более 20 лет, значительные территории РФ и сопредельных стран остаются загрязнёнными осколочными радионуклидами, среди которых наибольшее значение имеют 137Cs и 90Sr (Алексахин и др., 1992;
Алексахин, 2006;
Круглов и др., 1995, Фокин и др. 2005). Около половины этих территорий занято пашней и другими угодьями сельскохозяйственного назначения, что обеспечивает загрязнение продукции растениеводства и по пищевым цепям – животноводства, часто сверхнормативными уровнями.
В настоящее время в современном почвоведении достаточно хорошо изучена сорбция, миграция, трансформация этих радионуклидов в почвах и поступление их в растения. В меньшей степени освоено влияние органических веществ на состояние и транспорт 137Cs и 90Sr в системе почва растение. Проведено сравнительное изучение поступления этих радионуклидов из разных типов почв, где прослеживается закономерность уменьшения поступления изучаемых радионуклидов с увеличением содержания общего углерода в исследуемых почвах. Отмечено, что почвы с высоким содержанием гумуса в большей степени поглощают эти радионуклиды и прочней удерживают. В литературе имеются отдельные сведения о содержании 137Cs и 90Sr в органическом веществе. При этом остается неясным как эти радионуклиды распределяется по группам и фракциям органических веществ почвы, что в значительной мере определяет закрепление, миграцию и поступление ионов металлов, в том числе радионуклидов в растения.
Цель работы. Оценить комплексообразующую способность различных органических лигандов в отношении 137Cs и 90Sr и в связи с этим барьерную функцию комплексов пути поступления радионуклидов в растения для химического мониторинга почв.
Задачи исследований:
1.Определить параметры гумусового состояния серо-коричневой почвы СУАР КНР.
2.Изучить молекулярно-массовое распределение 137Cs по группам гумусовых вещеcтв.
3.Установить влияние искусственных и природных комплексонов на молекулярно-массовое распределение углерода, радиоцезия и радиостронция.
4.Изучить природу взаимодействия органических веществ с цезием- и стронцием-90.
5.Определить влияние различных комплексонов на поступление радионуклидов в растения в условиях водной и почвенной культуры.
Научная новизна. Впервые определены параметры гумусового состояния серо-коричневой почвы СУАР КНР. Проведено изучение распределения 137Cs и 90Sr по группам и молекулярно-массовым фракциям гумусовых веществ. При взаимодействии радионуклидов с органическими соединениями происходит образование сложных органо-минеральных комплексов и комплексно-гетерополярных солей. Исследовано влияние органических лиганд на молекулярно-массовое распределение углерода, радиоцезия и радиостронция. Изучено поступление 137Cs и 90Sr в растения под влиянием искусственных комплексонов и гуминовых кислот, а также из разных органо-минеральных источников из водных растворов, так из различных почв.
Научно-практическая значимость. Данные, полученные в работе, посвящены специфическим механизмам закрепления радионуклидов в почвах, в частности влияния разных лигандов и отдельных фракций органического вещества серо-коричневой почвы. Проведена апробация и рекомендуется радиогель-хроматография для изучения влияния 137 органических лигандов на поведение Cs и Sr в системе «почва-растение».
Предложены эмпирические формулы для расчета молекулярных масс органических и органо-минеральных соединений. Полученные результаты могут быть использованы для целей химического мониторинга окружающей среды при разработке контрмер, направленных на усиление закрепления радиоцезия и радиостронция в почве, что в свою очередь позволит снизить коэффициенты накопления этих радионуклидов сельскохозяйственными растениями.
Защищаемые положения.
Гуминовые кислоты влияют на ММР 137Cs. При этом 1.
высокомолекулярная фракция содержит 70% углерода от введённого в колонку, а низкомолекулярная – 30%.
Органические лиганды удерживали 8,4% 137Cs, соответственно, высокомолекулярная и низкомолекулярная – 5,9 и 2,6%.
Гуминовые кислоты более активно влияют на ММР 90Sr по 2.
сравнению с 137Cs и удерживают по комплексному типу 90% ионов стронция, меченых радиоактивным изотопом 90Sr.
3. Радиоцезий связывается органическими лигандами более прочно, чем по ионообменному типу и может образовывать внешнесферные комплексные органо-минеральные соединения, а Sr образует как внешнесферные, так и внутрисферные органо минеральные комплексы.
4. Органические лиганды, включая соединения гумусовой природы, снижают размеры поступления радиоцезия и радиостронция в растения.
5. Цезий-137 более интенсивно поступает в растения из органических форм по сравнению с минеральной (хлорид цезия).
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды (экологические и правовые аспекты)» (Махачкала, г.), на III Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в т.ч. 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 144 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов. Содержит таблиц, 16 рисунков. Список литературы включает 145 наименований, в том числе 44 иностранных авторов.
1. Обзор литературы В этой главе обобщены и систематизированы литературные данные о содержании и формах цезия-137, стронция-90 в почвах. Показана взаимосвязь радионуклидов с различными компонентами почвы. Рассматриваются соединения гумусовых кислот с различными химическими элементами и соединения металлов с почвенными органическими веществами гумусовой и индивидуальной природы. Влияние органических соединений на подвижность цезия и стронция в почве, органических лигандов на десорбцию 137Cs и 90Sr, влияние качественного состава почвенно-поглощающего комплекса на подвижность этих радионуклидов. Радионуклиды рассматриваются как почвенные поллютанты. Приведены характеристика цезия-137, стронция-90 как загрязнителей окружающей среды, сведения о составе соединений радионуклидов в почвах и корневом поступлении 137Cs и 90Sr в растения. Особо рассматриваются вопросы, касающиеся механизмов закрепления радионуклидов в почве и комплексообразования органических веществ с 137Cs и 90Sr в модельных и натурных опытах – в системе «почва-растение».
2. Объекты и методы исследования В качестве основного объекта использовали серо-коричневую почву Северо-западного Уйгурского автономного района КНР с содержанием органического углерода 0,68% и рН 7,1. Для сравнения выбрали образцы тёмно-серой лесной почвы Владимирского Ополья (Владимирская область, РФ) с содержанием гумуса 6,31% и рН 6,5.
Выделение и очистка препаратов гуминовых кислот проводили по общепринятой методике (Орлов Д.С., 1974).
Для изучения молекулярно-массового распределения 137Cs, 90Sr, углерода и их органо-минеральных производных использовали гель-проникающую хроматографию (гель-фильтрацию). При этом применяли колоночную хроматографию, динамический способ элюентной хроматографии при направленном движении фаз, когда жидкая фаза (элюент) перемещается относительно твердой фазы (носитель Молселект марок G-10 и G-25).
Фракционирование и расчёты проводили строго в соответствии с методическими рекомендациями (Карпухин, 1984).
Водная культура. Проростки фасоли (Phaseolus vulgaris L.), сорт Грибовская 92, и кукурузы (Zea mays indurate Sturt.), сорт Воронежская выращивали в стеклянных сосудах на воде (объем 50 мл), в которую для взаимодействия лигандов и радионуклидов и установления равновесия за одни сутки до высаживания растений добавляли растворы хлоридов 137Cs и Sr вместе с соответствующими носителями и лиганды в количестве по 1 мг углерода на сосуд. В качестве комплексонов использовали тартрат натрия, трилон Б, тетрафенилборат натрия и гуминовую кислоту. Опыты проводили на двух уровнях активности – 0,5 и 1,0 кБк. После недельной экспозиции растения вынимали из сосудов, Тщательно обмывали корни, взвешивали, высушивали, определяли сухую массу и активность радионуклидов, используя соответствующие эталоны активности.
Почвенная культура. Растения фасоли (Phaseolus vulgaris L.), сорт Грибовская 92, выращивали в пластиковых сосудах (объем 200 мл) на разных почвах, в которые добавляли 137Cs в виде хлорида (минеральный радиоцезий) и в составе органического вещества (органический радиоцезий) активностью 20 кБк. Метку в органическом веществе приготовляли следующим образом:
растения фасоли выращивали на питательной смеси с добавкой 137Cs, затем растения срезали, высушивали, измельчали и определяли удельную активность. В вариантах с минеральным цезием количество органического вещества в почве компенсировали внесением органического вещества в виде высушенных и измельчённых растений фасоли без метки. Растения выращивали до полного созревания в опыте с серо-коричневой почвой и до фазы 7 листьев в опыте с серо-коричневой почвой и тёмно-серой лесной почвой, срезали, высушивали, измельчали и определяли содержание радиоцезия. Активность определяли, используя соответствующие эталоны:
Cs – на спектрометре CompuGamma-1285 (LKB, Швеция), 90Sr – на радиометре «Бета» (Украина).
Результаты опытов обрабатывали статистически с использованием критерия Стьюдента при Р=0,05.
3. Распределение радиоактивного изотопа цезия-137 по группам и молекулярно-массовым фракциям органических веществ почв.
Гумусовое состояние изучаемой почвы Синь-Цзанского Уйгурского Автономного района КНР характеризуется средними параметрами соответствующими серо-коричневой почве.
Определение параметров гумусового состояния серо-коричневых почв СУАР КНР позволило установить очень низкое значение содержания органического углерода, запасов гумуса, степень гумификации органического вещества, содержания свободных гуминовых кислот и гуминовых кислот, связанных с кальцием;
низкое значение содержания прочно связанных гуминовых кислот и оптической плотности гумусовых веществ;
среднее значение обогащённости азотом, содержания негидролизуемого остатка и гуматно-фульватный тип гумуса.
Применение методики И.В.Тюрина в модификации В.В.Пономарёвой и Т.А.Плотниковой определения группового и фракционного состава гумуса показало, что содержание фракции гуминовых кислот составляет убывающий ряд: IIIIII, содержание фракции фульвокислот составляет убывающий ряд:
II Iа I III. При этом максимальное содержание обнаружено во II фракции, где гумусовые кислоты связаны с кальцием.
В модельном опыте количество 137Cs в составе гумусовых веществ зависело от формы внесения и изменялось от 28,4% при внесении К-II и TФБ Na до 13,2%. При этом гуминовые кислоты связали от 26,25 до 9,6%, фульвокислоты – от 6,6 до 3,6% в зависимости от варианта опыта.
При помощи гель-проникающей хроматографии на колонках с гелем G 10 и G-25 показан сложный ММС гуминовых веществ серо-коричневой почвы и выделено 4 фракции с ММ 5000, 2030, 803, 446.
Для выяснения участия отдельных групп, гумусовых соединений проведён модельный опыт с внесением разных форм 137Cs. При этом использовали ионные формы, комплексы с тетрафинилборатом и компосты после разложения растительных остатков, в которые 137Cs поступил через корневую систему целых растений или в который радиоактивный изотоп был добавлен в ионной форме перед компостированием. Активность 137Cs составляла в каждом варианте опыта 20 кБк с содержанием 0,5 мг хлорида После 24 часов взаимодействия было определено содержание 137Cs в группах гумусовых веществ (табл.1).внесенного. Компостированные органические остатки – I, II, III (К- I), (К- II), (К- III) Таблица 1.
Распределение Сs по группам гумусовых веществ Содержание 137Сs Осталось гумусовых Варианты в почве веществ, % Свытяжки ГК ФК НО Сs 2420 1100 1320 1850 15675 21. 12.40 5.80 6.60 9.25 78. TФБ Na 1919 1031 888 729 17352 13. 9.60 5.16 4.44 3.65 86. К- I 2017 1238 779 173 17810 13. 10.09 6.19 3.89 0.86 86. К- II 4075 3350 725 1600 14325 28. 20.38 16.75 3.63 8.00 71. К- III 5250 4075 1175 не обн. 14750 26. 26.25 20.36 5.88 0 73. Примечание: над чертой активность Сs в Бк, под чертой – % от внесённого Количество 137Cs в составе гумусовых веществ зависело от формы внесения и изменялось от 28,40% при внесении компоста - II до 13,20% при внесении в компоста - I и TФБ Na. При этом в составе групп гуминовых кислот содержание 137Cs изменяется от 26.25% при внесении компоста - III до 9,60% - в виде комплексов с тетрафинилборатом. В составе группы фульвокислот содержание радиоактивного изотопа изменяется от 6,60% в варианте внесения ионных форм до 3,63% модельного опыта в варианте компоста II. В составе группы негидролизуемого остатка (гумины) содержание 137Сs изменяет от 9,25% в варианте модельного опыта с внесением ионных форм до варианта с K-III.
Для изучения молекулярно-массового распределения 137Cs использовали гумусовые вещества переходящие в пирофосфатную вытяжку из модельного опыта, где 137Cs вносили в почву в составе различных источников. В наших исследованиях рассматривался вариант опыта, где имитировалось загрязнение почвы ионами цезия меченного радиактивным изотопом цезий 137. Хлористый цезий вносили прямо в почву с А = 20 кБк и содержанием носителя 40 мг CsCl на 1 г. При помощи геля "Молселект" марки G- выделено три фракции по углероду и цезию-137 и четыре фракции по 137Cs (рис. 1). Молекулярные массы фракций составили 700, 475 и 163.
Четвёртая фракция выделенная только по 137Cs имеет Ve = 23 мл, что превышает Vmax для данной марки геля и не позволяет рассчитать её значение.
Величины молекулярных масс для второй и третьей фракции гумусовых веществ представляют усреднённое значение, полученное из калибровочных графиков при пределах разделений 0-700 и 100-700.
Таблица 2.
Молекулярно-массовый состав гумусовых кислот Фрак- Ve, Kd lgMM MM ln MM MMср. MM ции мл МM расчет по п/п формулам 5000 – 5000 I 11.0 0 – II 14.0 0.233 3.299 1991 7.635 2070 2030 III 17.0 0.465 2.900 794 6.699 812 803 IV 19.0 0.620 2.650 447 6.0989 446 446 При помощи геля "Молселект" марки G-25 выделено четыре фракции по углероду и цезию-137 (рис.2). Молекулярные массы фракций гумусовых веществ (табл.2) составляют 5000, 2070, 812 446. Величины молекулярных масс II, III и IV фракций гумусовых веществ полученные по калибровочным графикам лежат в пределах разделения данной марки геля, где проявляется обратный молекулярно-ситовой эффект. При этом (табл. 2) содержание углерода в составе фракции изменяется в следующем ряду: I=25,27% II 23,75% III 21,01 % IV 15,34.
Таблица 3.
Распределение углерода и радиоактивного изотопа цезий-137 по молекулярно-массовым фракциям гумусовых кислот, выделенных на геле “Молселект” марки G- Фракции Ve, мл Kd MM Собщ, мг % A, кБк % I 11.0 0 0.498 25.27 7.73 22. II 14.0 0.233 2030 0.469 23.75 5.67 16. III 17.0 0.465 803 0.415 21.01 10.70 30. IV 19.0 0.620 446 0.303 15.34 5.37 15. V 17.5 0.906 163 0.290 14.68 5.48 15. 1.975 100 34.95 Проявляется чёткая тенденция увеличения содержания с возрастанием молекулярных масс фракций гумусовых веществ, выделенных с помощью гель-проникающей хроматографии. Ещё более неравномерно распределился Cs по молекулярно-массовым фракциям и составил убывающий ряд:
III=30,62% I=22,11% II=16,22% ~ IV=15,37%.
Использование колоночной гель-проникающей хроматографии с применением геля "Молселект" марки G-10 показало широкие возможности определения молекулярно-массового распределения 137Cs и 90Sr под влиянием различных органических лиганд. Все используемые лиганды влияют на молекулярно-массовые распределения 137Cs и 90Sr. При этом усреднённое значение молекулярных масс рассчитанных при помощи калибровочных графиков удовлетворительно совпадает с табличными данными соединений цезия с тартратом, трилоном Б и тетрафенилборатом.
Особый интерес представляет исследование действия естественных комплексонов на молекулярно-массовое распределение радиоактивных изотопов, что имеют особое значение в природных условиях. На примере препаратов гуминовых кислот, применение гель-проникающей фильтрации на геле "Молселект" марки G-10 позволило пространственно отзделить ионные формы цезия от 137Cs связанного органическими лигандами (рис. 2).
При этом выделено две фракции гумусовых кислот содержащих ионы цезия, меченные радиоактивным изотопом 137Cs. Первая фракция имеет значение молекулярной массы 700 т.е. выходит со свободным объёмом (Vo). Вторая фракция имеет усреднённое значение (319), полученное из калибровочных графиков. При этом углерод и 137Cs неравномерно распределён по молекулярно-массовым фракциям гумусовых веществ. Самая высокомолекулярная фракция содержит около 70% органического углерода, тогда как фракция с MM=319 – чуть меньше 30%. Органические лиганды удерживают 8,4% иона цезия-137, высокомолекулярная (700) и низкомолекулярная (319), соответственно -5,9% и 2,6%, т.е. относительно высокомолекулярная фракция гуминовых кислот в два раза больше связывает Cs.
Как видно из рисунка 3 гуминовые кислоты в большей степени проявляют способность связывания ионов стронция меченных радиоктивным изотопом стронций-90. При этом фракционирование на геле "Молселект" марки G-10 позволяет пространственно разделить ионные формы Sr и ионы стронция удерживаемые органическими лигандами. Применение гель проникающий хроматографии позволило выделить две фракции гумусовой кислоты, которые содержат стронций-90.
На основании рассмотрения особенностей применения радиогель хроматографии с использованием 137Cs и 90Sr, разных марок гелевых носителей, функций Kd=f(lnMM), Kd=f(lgMM) предлагаются следующие эмпирические формулы для расчёта молекулярных масс фракций, отдельных веществ и химических соединений:
MM=700-43 (Ve-V0), (1) для гелей "Молселект" марки G- ММ=5000-625 (Ve-V0), (2) для гелей "Молселект" марки G-25.
Для геля марки G-10 показано идеальное совпадение молекулярных масс для экспериментальных значений с расчётными по формуле (1) органо минеральных соединений с 137Cs, соответственно с 319 и 313 и с 90Sr – соответственно 317 и 313. Достаточно точное совпадение этих Е 0.20 5.00 А,Бк 0. 0.16 4. 0. 0.12 3. 0. 0.08 2. 0. 0.04 1. 0. 0.00 0. 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30. Ve,мл А Е Рис. 1. Распределение 137Cs по молекулярно-массовым фракциям гумусовых кислот на геле “Молселект” марки G- А,Бк Е 0.25 12. 10. 0. 8. 0. 6. 0. 4. 0.05 2. 0.00 0. 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28. Ve, мл А Е Рис. 2. Распределение 137Cs по молекулярно-массовым фракциям гумусовых кислот на геле “Молселект” марки G- А,имп/сек Е 0.50 0. 0.40 0. 0.30 0. 0. 0.15 0. 0.05 0.00 1.0 4.0 7.0 10.0 13.0 16.0 19.0 22.0 25.0 28.0 31.0 34. Ve, мл A E Рис. 3. Влияние гуминовых кислот на молекулярнно-массовое распределение 90Sr величин отмечено для искусственных комплексонов. Сравнение с табличными данными показало, что величины молекулярных масс соответственно составляет для тартрата-Cs 417 и 463, трилона Б-Cs 587.8 и 605. Для фракции гумусовых веществ с 137Cs идеальное совпадение для IV фракции, соответственно 163 и 162 и достаточно удовлетворительное – для III фракции соответственно 475 и 446. Апробирование формул для геля марки G-25 показано идеальное совпадение молекулярных масс эмпирических значений с расчётными по формуле (2) для органо минеральных соединений гумусовых веществ с 137Cs, соответственно 448 и 446. Для высокомолекулярных соединений отмечены значительные расхождения.
При исследовании ММР 90Sr первая фракция выходит со свободным объёмом, что согласно теории гель-проникающей фильтрации позволяет утверждать, что её ММ 700. Вторая фракция имеет усреднённое значение (317), полученное из калибровочных графиков в пределах разделений 0-700 и 100-700. При этом (табл.4.) углерод и 90Sr неравномерно распределён по молекулярно-массовым фракциям гумусовых веществ. Высокомолекулярная фракция содержит 69,0% углерода тогда, как относительно низкомолекулярная фракции (ММ 319) – чуть больше 30%.
Органические лиганды (табл. 4) удерживают по комплексному типу 90% ионов стронция меченных радиоактивным изотопом стронций-90.
Высокомолекулярная фракция (ММ700) обладает в два раза большей ёмкостью комплексного связывания по сравнению с относительно Таблица 4.
Влияние гуминовых кислот на молекулярно-массовое распределение углерода и 90Sr Фракции Ve, Kd MM Собщ, % N, % мл мг имп/сек 700 0.802 69.02 I 5.0 0 62. II 14.0 0.625 319 0.360 30.93 566 28. III 22.0 1.23 – – – 184 9. 1.162 100 1996 низкомолекулярной фракций (ММ 317).
По данным гель-фильтрации ионы цезия, меченые радиоактивным изотопом 137Cs выходит с элюционным объёмом, соответствующим ионным формам этого элемента, а под влиянием органических лиганд элюируются с Ve соответствующим этим органическим веществам, что позволяет утверждать, что искусственные комплексоны и гуминовые вещества образуют координационные соединения с цезием.
Наряду с гетерополярными солями, согласно результатам гель фильтрации цезий связывается органическими лигандами более прочно, чем по ионообменному типу и образуются внешнесферные комплексные органо минеральные соединения.
На основании результатов исследования молекулярно-массового распределения углерода стронция-90 можно констатировать, что 90Sr образует как внешнесферные, так и внутрисферные органо-минеральные комплексы.
4. Поступление 137Cs и 90Sr в растения из разных источников Во второй части работы изучали поглощение радионуклидов растениями в условиях водной и почвенной культуры. Водная культура была выбрана нами для изучения влияния различных комплексонов – тартрата натрия, трилона Б, тетрафенилбората натрия (ТФБ Na) и гуминовой кислоты (ГК).
Опыты выполняли с использованием дистиллированной воды и питательной смеси «Кемира-универсал». В качестве тест-растений брали представителей разных семейств – фасоль и кукурузу. В воду или питательную смесь вместе с лигандами (или без них) добавляли радионуклиды с разными уровнями активности – 0,5;
1,0 и 5,0 кБк Результаты опытов показали, что сырая и сухая масса растений выращенных на воде и питательной смеси практически не различались.
Данные по размерам поступления радиоцезия в растения фасоли (рис. 4а) свидетельствуют об общей закономерности для обеих используемых активностей: для всех вариантов кроме варианта с ТФБ Na большая часть радионуклида была обнаружена в растениях.
Для вариантов с низкой активностью в растения поступило 0,59-0,86 кБк или 59-86% от внесенного, для большей активности – 3,1-3,8 кБк или 61-75% от исходного количества.
Внесение тетрафенилбората натрия резко сократило размеры поступления 137Cs в растения фасоли – до 0,17-0,21 Бк радионуклида (17 21% от внесённого) при меньшей дозе и 1,17-1,73 Бк (23,4-35% от внесённого) – при большей.
В модельном опыте с кукурузой дозы радионуклидов были существенно снижены, так как предыдущий эксперимент показал, что радиоцезий активно поступает в растения из воды и питательной смеси, и такая высокая доза как 5 кБк – нецелесообразна.
При исходной меньшей активности 0,5 кБк почти весь радионуклид (97,3%) был обнаружен в проростках кукурузы. Добавление комплексонов по-разному снижало поглощение радионуклида. В вариантах с дозой 1 кБк Cs более половины – 61,0% поступило в растения без органических Рис. 4 Поступление 137Сs в растения фасоли (а) и кукурузы (б) 4a 1. 4б 0. 0. 0. 0. нет тартарат трилон Б т.ф.б. Na г.к.
Na вода 1 кБк пит смесь 1кБк лигандов и 12,0-45,5% в их присутствии (Рис. 4б). В наименьшей степени радиоцезий поступал в проростки в варианте с ТФБ Na: большая часть 137Cs – 88-89% осталась в растворе и была недоступна растениям. Отметим, что двукратное увеличение исходной активности 137Cs привело к снижению его поступления в растения кукурузы во всех вариантах, за исключением тетрафенилбората натрия.
При внесении радиостронция (табл. 5) общая закономерность действия органических соединений сохранилась – в их присутствии поступление радионуклида в проростки кукурузы значительно сокращались – в 1,7-2, раза при меньшей дозе 90Sr и в 1,9-5,5 раз – при большем его количестве. На контроле радиостронций поступал в растения менее интенсивно при меньшей исходной его активности. Увеличение количества радиостронция в 2 раза практически не повлияло на размеры поступления его в растения. В Таблица Влияние различных органических лигандов на поступление 90Sr в растения кукурузы (данные приведены на сухую массу) Активность внесенного радионуклида Вариант 0,5 кБк 1,0 кБк А, кБк % а, кБк/г А, кБк % а, кБк/г Контроль, Н2О 0,28±0,03 56,0 0,97±0,05 0,60±0,05 60,0 1,82±0, Тартрат Na 0,14±0,02 28,0 0,54±0,02 0,31±0,03 31,0 1,07±0, Трилон Б 0,13±0,01 26,0 0,48±0,09 0,24±0,02 24,0 0,89±0, ТФБ Na 0,17±0,03 34,0 0,71±0,06 0,11±0,02 11,0 0,44±0, ГК 0,12±0,02 23,9 0,35±0,05 0,26±0,03 26,0 0,74±0, отличие от вариантов с радиоцезием не было обнаружено существенных различий в снижении поглощения 90Sr растениями под влиянием лигандов, за исключением варианта с тетрафенилборатом натрия при большей норме радиостронция.
В дальнейшем рассматриваются результаты двух опытов, которые касаются вопросов доступности растениям фасоли радиоцезия, внесённого в разных формах в различные почвы.
Первый опыт проводили по следующей схеме: 1.137Cs в минеральной форме;
2. 137Cs в минеральной форме + ТФБ Na;
3. 137Cs в составе размолотых растительных остатков;
4. 137Cs в составе перепревшей размолотой травяной массы;
5. 137Cs в составе перепревшей неразмолотой травяной массы.
Спектрометрические данные анализа растительного материала на содержание 137Cs показали, что наименьшее количество 137Cs поступило в растения фасоли в варианте с ТФБ Na. Это подтверждает возможность образования устойчивых комплексов цезия с этим лигандом и в условиях почвенной культуры. Следует отметить, что 137Cs в составе растительных остатков в большей степени поглощался растениями по сравнению с минеральной формой. Это явление в настоящее время мало изучено, но, тем не менее, было отмечено и в других работах (Фокин, Торшин, 2008).
Механическая обработка компоста существенно, в 1,4 раза, увеличивала поступление 137Cs в растения – с 57,7 до 78,4 Бк. Это, предположительно объясняется лучшим контактом размолотого компоста с корнями растений по сравнению с неразмолотым, что и увеличило поступление радиоцезия в растения.
Расчёт удельной активности целых растений позволил вычислить коэффициенты накопления (Кн) радиоцезия (отношение удельных активностей в растении и в почве) растениями фасоли (табл. 6.). Этот Таблица Удельная активность и коэффициент накопления Cs растениями фасоли Вариант Осталось в Удельная Удельная Коэффициент почве, Бк активность активность накопления почвы, Бк/г* растений, Бк/г 1 19971 66,6 16,4 0, 2 19993 66,6 7,0 0, 3 19892 66,3 91,7 1, 4 19922 66,4 67,6 1, 5 19942 66,5 44,4 0, для эксперимента брали 150 г серо-коричневой почвы + 150 г кварцевого песка показатель колебался в пределах 0,11-1,38. Наибольшие значения Кн были получены для варианта с компостом №1, наименьшие – с тетрафенилборатом натрия.
При рассмотрении распределения накопившегося радиоцезия по растениям (Рис. 5) обращали на себя внимание следующие закономерности:
во всех вариантах, кроме 3-го более половины 137Cs было найдено в корнях фасоли. В 3-ем варианте на долю корней также приходилась большая часть радионуклида, но достоверно меньше по сравнению с другими вариантами. В этом случае корни растений в меньшей степени выполняли барьерную функцию на пути поступления 137Cs в надземную часть. По-видимому, в этом случае радионуклид находился в более лабильной форме. Уменьшение содержания 137Cs в корнях растений 3-го варианта сопровождалось увеличением его концентрации в листьях и стеблях. Другая закономерность – большее накопление радиоцезия в листьях и стеблях растений в вариантах со всеми тремя компостам по сравнению с 137CsCl и 137Cs-ТФБ Na. Это предполагает поглощение и передвижение по растениям 137Cs в различных формах, возможно с участием комплексообразования.
137 CsCl Cs-ТФБ Na 5% 6% 26% 29% 11% 7% 58% 58% 137 Cs,компост1 Cs,компост 16% 23% 10% 22% 16% 20% 41% 52% Цветки и плоды Лисья Cs,компост Корни Стебли 11% 18% Рис 5. Распределение радиоцезия по органам растений, % от общего 17% количества 54% Следующий рассматриваемый опыт во многом сходен с предыдущим.
Изменения заключаются в использовании двух почв (в дополнение к китайской серо-коричневой почве из СУАР в программу включили российскую тёмно-серую лесную почву Владимирского Ополья), одного компоста – размолотые перевшие с минеральным 137Cs растительные остатки на травяной основе (компост №2 предыдущего опыта) и более короткой экспозиции: растения выращивали в течение 2 недель. Схема опыта: 1.137Cs в минеральной форме, почва КНР;
2. 137Cs в минеральной форме, почва РФ;
3.
Cs в составе органических остатков, почва КНР;
4.137Cs в составе органических остатков, почва РФ Как и следовало ожидать, большая часть радиоцезия была поглощена почвой. Оставшийся 137Cs по-разному поступал в растения из различных почв и форм внесения радионуклида. Так растения, выращенные на тёмно-серой лесной почве содержали в 1,3-1,9 раз меньше 137Cs по сравнению с серо коричневой почвой – соответственно 10,9 и 13,9 Бк в вариантах с минеральной формой цезия и 31,1 и 60 Бк – при внесении радионуклида в составе компоста (табл. 7). Объяснение такой закономерности заключается в большем содержании и гуматном типе органического вещества в тёмно серой лесной почве по сравнению с серо-коричневой. Распределение радиоцезия по частям растений фасоли складывалось следующим образом.
Большая часть 137Cs – от половины до 84% накапливалась в корнях;
10,0 30,2% – в листьях и меньше всего – 7,0-19,6% – в стеблях.
Таблица Абсолютная активность и коэффициент накопления Cs растениями фасоли Вариант Листья, Стебли, Корни, Целое а а рас- Кн Бк Бк Бк растение, почвы, тения, % % % Бк/% Бк/г Бк/г 1 1,33±0,21 0,97±0,11 11,6±1,2 13,9±1, 66,6 53,5 0, 9,5 7,0 83,5 2 2,2±0,4 1,5±0,2 7,2±0,8 10,9±1, 66,6 40,2 0, 20,2 13,4 66,4 3 18,1±2,1 11,8±1,3 30,1±2,9 60,0±4, 66,5 206,7 3, 30,2 19,6 50,2 4 6,0±0,8 3,4±0,6 21,7±2,8 31,1±4, 66,6 94,1 1, 19,4 10,9 69,7 Расчётные величины удельной активности, учитывая практически полное отсутствие существенных различий по биомассе, соответствовали абсолютному содержанию 137Cs в растениях – большие значения были присущи серо-коричневой почве и вариантам с компостом;
меньшие – тёмно-серой лесной почве и вариантам с внесением радионуклида в минеральной форме. Так же и коэффициенты накопления были большими 1,41 и 3,12 для случаев, в которых радиоцезий вносили с компостом и меньшими – 0,60 и 0,80 для вариантов с минеральной формой Cs для российской и китайской почв, соответственно.
Выводы 1. В лабораторном опыте при моделировании загрязнения, количество Cs в составе гумусовых веществ зависело от формы внесения и изменялось от 28,4% при внесении К-II до 13,2% при внесении ТФБ Na. При этом гуминовые кислоты связали от 26,2 до 9,6%, фульвокислоты – от 6,6 до 3,6% в зависимости от варианта опыта.
2. При помощи гель-проникающей хроматографии на колонках с гелем G 10 и G-25 показан сложный молекулярно-массовый состав гуминовых веществ серо-коричневой почвы и выделено 4 фракции с ММ 5000, 2030, 803, 446.
3. На основании экспериментальной проверки возможности применения радиогель-фильтрации для изучения органо-минеральных соединений цезия и стронция, предложены эмпирические формулы для расчета ММ, которые позволяют определять молекулярно-массовый состав без использования калибровки колонок эталонными веществами.
4. Использование гель-фильтрации выявило тенденцию увеличения содержания углерода с возрастанием значения ММ выделенных фракций гумусовых веществ. При этом распределение 137Cs по ММ-фракциям гумусовых веществ составляет следующий убывающий ряд: III = 30,62% I = 22,11 II = 16,22%~ IV = 15,37.
5. По данным гель-фильтрации ионы цезия, меченые радиоактивным изотопом 137Cs выходят с элюционным объёмом, соответствующим ионным формам этого элемента. При внесении органических лиганд Cs связывается искусственными комплексонатами и гуминовыми веществами более прочно, чем при ионообменном поглощении, что даёт основание утверждать об образовании координационных соединений.
Гуминовые кислоты влияют на ММР 137Cs. С помощью радиогель 6.
хроматографии выделено две фракции с ММ 700 – высокомолекулярная и низкомолекулярная с ММ 313. При этом высокомолекулярная фракция содержит 70% углерода от введённого в колонку, а низкомолекулярная – 30%. Органические лиганды удерживали 8,4% 137Cs, соответственно, высокомолекулярная и низкомолекулярная – 5,9 и 2,6%.
Гуминовые кислоты более активно влияют на ММР 90Sr по сравнению с 7.
Cs и удерживают по комплексному типу 90% ионов стронция, меченых радиоактивным изотопом 90Sr. При этом высокомолекулярная фракция гуминовых кислот (ММ 700) обладает в 2 раза большей ёмкостью комплексного связывания ионов стронция по сравнению с низкомолекулярной (ММ 317).
8. Согласно результатам гель-фильтрации цезий связывается органическими лигандами более прочно, чем по ионообменному типу и наряду с комплексно-гетерополярными солями может образовывать внешнесферные комплексные органо-минеральные соединения, а 90Sr образует как внешнесферные, так и внутрисферные органо-минеральные комплексы.
9. В модельных лабораторных опытах с 2-х недельными проростками фасоли и кукурузы (водная культура) большая часть (более половины) радиоцезия и радиостронция переходила из раствора в растения, причём различные лиганды в виде растворов гуминовых кислот, тартрата, трилона Б в разной степени препятствовали переходу радионуклидов в растения.
10. В наименьшей степени 137Cs переходил из раствора в растения в присутствии ТФБ Na. Для других лигандов, в том числе для гуминовых кислот это было выражено в меньшей степени. Гуминовые кислоты достоверно (более чем в 2 раза) снижали поступление 90Sr в растения кукурузы.
11. В опытах с почвенной культурой радиоцезий почти полностью (на 99,6-99,9%) поглощался почвой. Из оставшегося 137Cs в серо-коричневой почве, как и условиях водной культуры, наименьшее количество 137Cs поступало в растения фасоли в присутствии ТФБ Na (Кн = 0,11), среднее – из варианта с минеральной формой радионуклида (Кн = 0,25), наибольшее (Кн = 0,67-1,38) – из компостов, в которые предварительно инкорпорировали радионуклид.
12. Из более гумусированной тёмно-серой почвы 137Cs поступал в растения фасоли менее интенсивно (Кн = 0,60-1,41) по сравнению с серо-коричневой (Кн = 0,80-3,12) не зависимо от формы внесённого радионуклида, причём для обеих почв сохранялась закономерность большего поглощения 137Cs из органической его формы – Кн = 1,41-3,12 (компост), по сравнению с минеральной – Кн = 0,60-0,80.
Список опубликованных работ по теме диссертации 1. Илахун А., Карпухин А.И., Торшин С.П. Поступление радионуклидов в растения кукурузы с применением органических лигандов // Плодородие, 2008. № 4. С. 46-47.
2. Карпухин А.И., Илахун А., Торшин С.П. Распределение 137Cs по группам и молекулярно-массовым фракциям гумусовых веществ // Известия ТСХА 2009 - №3.C.169-173 (Работа выполнена при финансовой поддержке ГФУН (NSFC) грант № 40861010 и МНУ КНР 2005-129) 3. А.Илахун., С.П.Торшин., А.И.Карпухин. Доступность радиоцезия растениям фасоли из в разных почв при внесении его в минеральной форме и в составе растительных остатков. Мониторинг природных экосистем.
Сборник статей третьей Всероссийской научно-практической конференции.
Пенза 2009.г С.154-156.
4. Карпухин А.И., Бушев.Н.Н., А.Илахун. Системное изучение комплексных соединений гумусовых веществ почв с ионами тяжелых металлов и радионуклидов. Антропогенная динамика природной среды. Материалы международной научно-практической конференции. Пермь. 2006.г. Том 2.. С.
179-183.
5. Карпухин А.И., Илахун А., Торшин С.П. Влияние гуминовых кислот серо коричневых почв СУАР КНР на молекулярно-массовое распределение 137Cs.
Материалы Всероссийской научно-практической конференции, «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды (экологические и правовые аспекты) 22-25 апреля 2009 года в Северо Кавказском (г. Махачкала) филиале Российской Правовой Академии Министерства Юстиции РФ. (Работа выполнена при финансовой поддержке ГФЕН (грант №40861010) и МНУ КНР ( 2005-129)