Плутоний – это искусственный, созданный человеком радионуклид, который появился в 1940 г. и дал наряду с 235U начало эре ядерного оружия [13]. Плутоний в окружающей среде является огромной экологической проблемой из-за наличия его долгоживущих изотопов в десятки тысяч лет (239Pu, 240Pu многие тысячи лет) и биологического периода полураспада, что делает его высоко радиотоксичным [11, 13].
Основными источниками поступления плутония в окружающую среду были испытания ядерного оружия в атмосфере в 1945–1970 гг., аварии на атомных станциях, деятельность предприятий ядерно-топливного цикла по переработке ядерного топлива, аварии спутников [8, 11].
На территории Сибири помимо глобальных выпадений плутония существуют еще и локальные источники его поступления в природные среды. Таковыми являлись Сибирский химический комбинат (СХК) и Горно-химический комбинат (ГХК), на которых осуществлялся практически полный цикл ядерных производств [3, 8, 15].
Общеизвестно, что растительность, как биоиндикатор, отражает поступление химических элементов в природную среду из почвы и атмосферы. Существует большое количество исследований как российских, так и зарубежных ученых по уровню накопления изотопов плутония в различных природных средах, в том числе в растительности [1, 5, 7, 9, 10, 14, 17, 18, 20]. В своем большинстве они показывают, что массовое накопление плутония происходит в период испытания ядерного оружия.
Цель исследования – изучить активность изотопов 239Pu и 238Pu в гербарных и современных сборах некоторых видов растительности юга Западной Сибири. Для территории юга Сибири информация по удельной активности изотопов плутония практически отсутствует. Это особенно актуально для территории Томской области, где с 1955 года работает завод в составе Сибирского химического комбината по наработке оружейного плутония [8]. При этом существенный интерес представляет получение сравнительной информации по накоплению плутония в растительности в разных временных периодах ее сбора: доядерном (до 1945 г.), ядерном (1945–1963 гг.), современном (1964 – по настоящее время).
Материалы и методы исследования
Для того чтобы получить данные по материалам прошлых лет, было принято решение использовать гербарные материалы. Были отобраны образцы растений с 1901 по 1985 гг. в гербариях им. П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» – 5 образцов, и Центрального Сибирского Ботанического сада СО РАН – 10 образцов. В точках сбора гербарного материала авторами были отобраны эти же виды растений в 2012 г. Всего на содержание плутония было проанализировано 17 образцов растительного материала, из них 4 пробы – черника обыкновенная (Vaccinium myrtillus), 13 проб лабазник вязолистный (Filipendula Ulmaria (L) Maхim). Схема размещения проб показана на рис. 1.
Пробоподготовка к альфа-спектрометрическому анализу на содержание 239Pu и 238Pu проводится поэтапно, по многоступенчатым положениям утвержденных методик НСАМ № 406-ЯФ и НСАМ № 407-ЯФ с электролитическим осаждением изотопов плутония прибором Gwinstek GPC-3060 D на стальную подложку с заранее измеренным фоном. Методики утверждены Федеральным научным центром лабораторных исследований и сертификации минерального сырья ВИМС от 31.03.1999 г., центром метрологии ионизирующих излучений ГНМЦ ВНИИФТРИ Госстандарта РФ от 19.08.1999 г. После электроосаждения высушенная подложка помещается для анализа в ионизационную импульсную камеру альфа-спектрометра фирмы ORTEC. Обработка результатов производится в программе AlphaVision 5.3.
Для обеспечения внутреннего контроля измерение одной пробы проводилось 3 раза в разных камерах альфа-спектрометра. Внешний контроль качества измерений проведен лабораторией изотопных методов анализа ВИМС (г. Москва). Результаты показали удовлетворительную сходимость.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные данные по активности изотопов плутония представлены в табл. 1.
а б
в
Рис. 1. Схема размещения проб гербарного и современного растительного материала для анализа: а – Республика Алтай; б – Томская область; в – Алтайский край
Таблица 1
Удельная активность 239Pu и 238Pu в чернике обыкновенной и в лабазнике вязолистном территории Томской области и Алтайского края и Республики Алтай
|
Место отбора |
Материал, надземная часть |
Год |
Активность Pu-239, Бк/кг |
Активность Pu-238, Бк/кг |
Количество измерений, шт. |
|
Томская область |
|||||
|
п. Тимирязево |
черника |
1933 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
1947 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
||
|
1962 |
0,29 |
0,47 |
3 |
||
|
2012 |
0,15 |
0,06 |
3 |
||
|
д. Березкино |
лабазник |
1948 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
г. Колпашево |
1912 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Алтайский край и Республика Алтай |
|||||
|
Окрестности Колыванского завода |
лабазник, надземная часть |
1901 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
Усть-Канский район, Семинский хребет |
1902 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Усть-Коксинский район, Катунский хребет |
1913 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Оз. Телецкое |
1948 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Усть-Канский район, Семинский хребет |
1951 |
0,61 |
0,17 |
3 |
|
|
Чарышский район, д. Сентелек |
1955 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Усть-Коксинский район, Катунский хребет |
1956 |
0,27 |
0,72 |
3 |
|
|
Бассейн р. Уймень, долина р. Кележе |
1961 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Усть-Канский район, Семинский хребет |
1984 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
|
Усть-Коксинский район, Катунский хребет |
1985 |
< 0,02 |
< 0,02 |
3 |
|
Анализ этих материалов показывает, что в гербарных сборах всех видов растительности, отобранной в доядерный период, активность изотопов плутония находится на уровне ниже предела определения используемой методики (0,01–0,02 Бк/кг). В период ядерных испытаний в атмосфере (50–60-е гг.), а в районе размещения предприятий ЯТЦ отмечаются более высокие уровни накопления изотопов плутония в рассмотренных типах растительности (рис. 2, 3).
Рис. 2. Динамика удельной активности 239Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus) и лабазника (Filipendula Ulmaria (L) Maхim) территории юга Западной Сибири, Бк/кг сухого вещества
Рис. 3. Динамика удельной активности 238Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus) и лабазника (Filipendula Ulmaria (L) Maхim) территории юга Западной Сибири, Бк/кг сухого вещества
По техногенной радиационной нагрузке Томская область и Республика Алтай существенно различаются. На территории Республики Алтай отсутствуют производства, на которых используются материалы, содержащие плутоний [4, 8]. На современную радиационную обстановку в регионе в наибольшей степени оказывают влияние прошлые локальные выпадения долгоживущих радионуклидов (137Cs, 90Sr, 239, 240Pu), поступивших при наземных и воздушных ядерных взрывах на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП) в 1949–1962 гг. и на полигоне Лобнор в 1970–1980 гг. [4, 6, 9, 10]. Следует отметить, что выпадения имеют «пятнистый» характер и зависят от орографических и климатических особенностей региона [9].
Аналогичная ситуация установлена нами и для лабазника вязолистного, отобранного в районах Семинского и Катунского хребтов (рис. 4 и 5).
Выявлено, что динамика содержания плутония в составе лабазника хорошо коррелирует со временем интенсивных ядерных испытаний в атмосфере на расположенном на сопредельной территории Семипалатинском испытательном полигоне. Поступление плутония в состав лабазника приходится на 1951 год для территории Семинского хребта и на 1956 год для территории Катунского хребта. В сборах лабазника 1902, 1913, 1984 и 1985 годов плутоний не обнаружен. Проанализированные нами пробы лабазника в районе оз. Телецкого (07.07.1961 г.) и в районе д. Сентелек Чарышского района (21.05.1955 г.) не показали наличия в них плутония, хотя в эти годы испытания на СИП проводились и следы ядерных взрывов были обнаружены на территории республики [4, 6, 9, 10]. Этот факт может свидетельствовать о «пятнистости» (неравномерности) выпадений плутония на поверхность земли.
Рис. 4. Динамика содержания 239Pu в составе лабазника (Filipendula Ulmaria (L) Maхim) с территории Семинского и Катунского хребтов Республики Алтай, Бк/кг сухого вещества
Рис. 5. Динамика содержания 238Pu в составе лабазника (Filipendula Ulmaria (L) Maхim) с территории Семинского и Катунского хребтов Республики Алтай, Бк/кг сухого вещества
Кардинально иная ситуация в отношении уровня активности изотопов плутония в составе растительности наблюдается в Томской области (рис. 6). Это, на наш взгляд, обусловлено тем, что на данной территории функционирует с 1955 года плутониевое производство. Его присутствие в этом районе фиксируется во многих средах (почва, донные отложения, торф и др.) [1, 2, 3, 5, 8, 15].
В проанализированных образцах черники, отобранных в районе п. Тимирязево близ г. Томска, присутствие плутония устанавливается не только в ядерный период (сбор 1962 года), но и в современных сборах 2012 года.
Таким образом, устанавливается, что для растительности Республики Алтай и Томской области наблюдаются принципиально различные тенденции в накоплении плутония. В районе, где содержание плутония обусловлено только глобальными выпадениями, содержание плутония в растительности устанавливается только в растительных сборах ядерного периода (1945–1963 гг.), а в районе, где функционирует предприятие ЯТЦ, содержание плутония в растительности фиксируется и в современном периоде времени (рис. 7).
При изучении плутония в природных средах обращается внимание на соотношение его изотопов, например, 238Pu к 239Pu, что позволяет установить вероятный источник его поступления [11, 16].
Отношение 238Pu/239Pu в составе черники обыкновенной и лабазника вязолистного показано в табл. 2 и рис. 8.
Рис. 6. Динамика содержания 239Pu и 238Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus), собранной в районе п. Тимирязево Томской области в разные годы, Бк/кг сухого вещества
а б
Рис. 7. Обобщенная сравнительная диаграмма поступления плутония в растительность в районах с отсутствием ядерных производств (а) и в районе с предприятием ядерно-топливного цикла (б)
Таблица 2
Отношение 238Pu/239Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus) и лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maхim)
|
Год Материал |
Отношение 238Pu/239Pu |
|||
|
Республика Алтай |
Томская область |
|||
|
Семинский хребет |
Катунский хребет |
п. Тимирязево |
||
|
1951 |
1956 |
1962 |
2012 |
|
|
Vaccinium myrtillus |
– |
– |
1,62 |
0,4 |
|
Filipendula Ulmaria (L) Maхim |
0,28 |
2,67 |
– |
– |
Рис. 8. Отношение 238Pu/239Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus) и лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maхim)
В сборах растительности отмечаются более высокие отношения 238Pu/239Pu (от 0,28 до 2,67), чем принято считать для глобальных выпадений от испытания ядерного оружия в атмосфере. Общепринятая величина отношения 238Pu/239Pu изменяется от 0,02 до 0,04 и установлена для почв, донных отложений, льда и воды (Wan, Druffel, Peter и мн. др.). Такая величина отношения изотопов обусловлена глобальными выпадениями плутония, поступившего в окружающую среду при испытании ядерного оружия в атмосфере [16].
Наблюдаемые нами высокие отношения 238Pu/239Pu можно объяснить, на наш взгляд, более высокой подвижностью 238Pu по отношению к 239Pu в живом веществе. Так, в работе W.R. Schell на основе повышенных отношений 238Pu и 239Pu сделано заключение о преимущественной подвижности 238Pu [19]. Такой вывод обусловил появление гипотезы о быстром истощении вещества с высокой удельной активностью 238Pu, что и служит причиной повышенной растворимости. В опытах по выращиванию растений на гидропонных растворах, содержащих плутоний, было доказано, что растения могут эффективно накапливать растворимый плутоний [14]. К тому же в работе польских ученых показано, что у 238Pu фактор передачи (коэффициент биологического поглощения) в живом веществе значительно выше, чем у 239Pu [20].
Выводы
Выполненные исследования по удельной активности изотопов плутония в кустарничковой (черника обыкновенная) и травянистой (лабазник вязолистный) растительности юга Западной Сибири показали:
1. Измеряемо значимые активности 239Pu и 238Pu обнаруживаются в гербарных сборах растительности, отобранных в период с 1945 по 1963 год на всех характеризуемых территориях, тогда как в период доядерного техногенеза (до 1945 года) они не обнаруживаются на детектируемом уровне измерения.
2. В современный временной период изотопы Pu обнаруживаются только в Томском регионе на уровне 0,15 Бк/кг 239Pu и 0,06 Бк/кг 238Pu, что с высокой долей вероятности объясняется функционированием в этой местности плутониевых производств на Сибирском химическом комбинате.
3. Отношение изотопов 238Pu к 239Pu для растительности юга Западной Сибири колеблется от 0,3 до 2,7 в материале гербарных сборов, характеризующих ядерный временной период. В Томском районе в современный период этот показатель составляет 0,4. Эти показатели значительно выше, чем показатели этого отношения, взятые за характеристику глобальных аэрозольных выпадений от испытания ядерного оружия в атмосфере около 0,02–0,04 при изучении почв, донных отложений, льда, воды.
Это, как нам представляется, обусловлено спецификой миграции и накопления 238Pu в живом веществе.
Авторы выражают благодарность сотрудникам «НИ Томского государственного университета»: заведующей гербарием им. П.Н. Крылова, д.б.н., профессору кафедры ботаники И.И. Гуреевой; д.б.н., профессору кафедры экологического менеджмента М.В. Олоновой; старшему лаборанту гербария им. П.Н. Крылова Н.В. Курбатской; а также сотрудникам Центрального сибирского ботанического сада СО РАН старшему научному сотруднику к.б.н. И.Г. Боярских и научному сотруднику С.А. Красниковой за помощь в организации отбора проб гербарного материала.
Рецензенты:
Язиков Е.Г., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;
Адам А.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой экологического менеджмента Биологического института, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск.
Работа поступила в редакцию 02.03.2015.