Механизм поступления радиоактивных продуктов деления из почвы в растения

Вертикальная и горизонтальная миграция радиоактивных веществ под влиянием осадков тесно связана с сорбцией (поглощением) и прочностью закрепления их в почве. Тот факт, что почва является мощным сорбентом радиоактивных продуктов деления, является определяющим в дальнейшей судьбе отдельных радионуклидов, попавших на поверхность почвы. В результате сорбции основная масса радиоактивных веществ на естественных и сеяных лугах, а также на целинных и залежных участках задерживается в верхнем (до 5 см) слое, на пахотных же землях радионуклиды в основном сосредотачиваются в обрабатываемом слое почвы.

Вовлечение отдельных радионуклидов в биологический круговорот веществ тесно связано со способностью поглощения корнями растений из почвенного раствора и прочностью сорбции радионуклидов почвенным поглощающим комплексом.

Снижение доступности длительно находящихся в почве стронция-90 и цезия-137 проявляется на всех типах почвы и зависит от их поглотительной способности. Поскольку поглотительная способность почвы является в основном функцией двух показателей — минерального состава и содержания органического вещества, то, естественно, различные типы почв в разной степени сорбируют радионуклиды.

Накопление стронция-90 и цезия-137 в урожае сельскохозяйственных растений зависит от количества радионуклидов в почве. Размеры поступления радиоактивных веществ в растения из почвы находятся| в прямо пропорциональной зависимости от плотности загрязнения территории. Такая зависимость сохраняется до тех пор, пока радиоактивные вещества не оказывают отрицательного влияния на рост и урожай растений. Следует отметить, что дозы радионуклидов, способные повредить растения, достаточно высоки и могут иметь место только в специальных экспериментах или локальных загрязнениях радиоактивными продуктами деления сравнительно небольших территорий.

Закономерность пропорционального повышения количества радиоактивных веществ имеет практическое значение, в частности при прогнозировании накопления радионуклидов в урожае.

Закономерность пропорционального увеличения радиостронция в растениях сохраняет свою силу только на определенных типах почв с определенным содержанием обменного кальция. При этом коэффициенты пропорциональности для различных культур не могут быть одинаковыми.

Поступление радионуклидов из почвы в растения в значительной мере зависит от механического состава почвы, определяющего ее поглотительную способность.

Почвы тяжелого механического состава, как правило, отличаются более высокой поглотительной способностью по сравнению с легкими. Особенно сильно влияние механического состава почв на размеры перехода цезия-137, который прочно фиксируется глинистыми почвами, особенно если в составе глины присутствуют минералы: иллит и вермикулит. Стронций-90 поступает в растения в меньших размерах из глинистых почв с повышенным содержанием минералов монтмориллонитовой группы.

Существенное влияние на величину поступления радионуклидов оказывает содержание органического вещества в почве. В вегетационных опытах поступление цезия-137 из торфянистых почв было в несколько раз выше, чем минеральных. В период глобального выпадения радионуклидов это явление было подтверждено в хозяйствах Швеции. Наблюдения проводились на молочных фермах, расположенных на почвах, богатых органическим веществом, и глинистых почвах. Молоко коров, получавших корма с плодородных почв, имело почти в 2 раза более высокий уровень загрязнения цезием-137 по сравнению с молоком, получаемым от животных, базировавшихся на минеральных почвах.

Факт повышенного поступления цезия-137 из органического вещества почвы может иметь важное значение при оценке загрязнения естественных пастбищ и сенокосов, а также культурных пастбищ длительного пользования, для которых характерно повышенное содержание органического вещества в верхнем корнеобитаемом слое почвы. Высокое содержание органического материала в верхнем слое на пастбищах типично для районов с большим количеством осадков и невысокими дневными температурами воздуха. Такой климат благоприятно влияет на развитие многолетними травами корневой дернины, из которой и происходит поглощение радионуклидов.

Особенно высокими размерами загрязнения цезием-137 и стронцием-90 в период глобальных выпадений отличалась растительность северных районов (мхи, лишайники).

Из многих показателей почвы, влияющих на размеры поступления стронция-90 в растения, как уже отмечалось выше, наиболее важным является ее обеспеченность обменным кальцием, который, как известно, по своим химическим свойствам весьма близок к радиоактивному стронцию.

Механизм поглощения стронция и кальция растениями из почвы является практически одинаковым, достаточно большая аналогия имеется и интенсивности передвижения этой пары элементов в растениях – оба накапливаются в одних и тех же органах и тканях.

Проводя оценку размеров миграции стронция-90 в биологических и |пищевых цепях, ее обычно рассматривают в сравнении с миграцией кальция.

Если количество атомов стронция-90 и кальция из почвы в растения переходит в одинаковом соотношении, то дискриминации этих элементов по отношению друг к другу не происходит.

Во многих случаях при переходе радиостронция от одного звена к другому наблюдается относительное снижение его содержания, это явление рассматривается как дискриминация стронция по отношению к кальцию. Обычно коэффициенты дискриминации в системе почва-растение составляют меньше единицы.

Отношение стронция к кальцию в зерне всегда меньше, чем в соломе, а в листьях свеклы, моркови и турнепса меньше, чем в корнеплодах. При расчете на единицу растительной массы стронций-90 накапливается в листьях в значительно больших количествах, чем в корнеплодах, а в расчете на 1 г кальция — наоборот. Коэффициент дискриминации для вегетативных органов колеблется от 0,4 до 0,8, а для зерна — от 0,3 до 0,4, Дискриминация стронция по отношению к кальцию при поступлении из почв, богатых обменным кальцием, обычно выше, чем из почв с низким содержанием кальция. Это имеет важное значение, т. к. размеры перехода радиостронция не только с большим количеством его в рационе, но и со степенью замены кальция стронцием-90, т. е. количеством стронциевых единиц в рационе. В связи с этим может показаться парадоксальным факт, что из рациона, составленного в основном из корнеплодов и клубнеплодов, стронция-90 будет поступать в организм животных больше, чем, например, из рациона, основой которого будет сено люцерны или| клевера. Хотя в последнем количество стронция на единицу корма будет в несколько раз больше. При этом подразумевается, что корнеплоды, клевер и люцерна выращены на однотипных почвах с одинаковой плотностью загрязнения стронцием-90.

Счастливым исключением из всех видов кормов является зерновая продукция. В зерне злаковых и бобовых культур стронция-90 накапливается как в абсолютных количествах, так и относительно кальция в меньших размерах, чем в вегетативных органах растений.

Поведение цезия-137 при переходе из почвы в растения обычно связывают с наличием обменного калия. Основанием для этого является тот факт, что растения, которые содержат больше калия, обычно накапливают больше цезия-137; распределение цезия-137 по отдельным органам и передвижение его внутри растения тесно связано с калием.

На основании сходства в поведении цезия-137 и калия в биологических объектах принято выражать содержание цезия-137 в цезиевых единицах, т. е. количество цезия-137 в пикокюри на 1 г калия.

При переходе из почвы в растения цезия-137 и калия не наблюдается тесной связи, как между стронцием и кальцием. Дискриминация цезия 137 по отношению к калию часто достигает нескольких порядков величин. В связи с тем, что цезий-137 более прочно сорбируется минеральной частью почвы, чем калий, его поступление в растения, как правило в десятки, сотни раз меньше.

Считается, что цезий-137 в сельскохозяйственных растениях накапливается примерно в количествах, в 10 раз меньших, чем стронций-90. Однако наблюдения за глобальными выпадениями радионуклидов в некоторых районах Белорусского и Украинского Полесья свидетельствуют о возможности аномалий. На легких, слабо насыщенных основаниями почвах цезия-137 поглощается растениями не меньше, чем стронция-90, а в ряде случаев накопление цезия-137 свеклой и картофелем значительно превосходит накопление стронция-90. Между цезием-137 и калием при передвижении их по растению не имеется полной аналогии. Радиоцезий по растению гороха, и пшеницы передвигается медленнее калия, а из корнеплодов в ботву свеклы – быстрее калия, что в количественном итоге ведет к изменению соотношения цезия-137 и калия в отдельных органах растения.

4. Роль биологических особенностей растении в накоплении радиоактивных веществ

Роль биологических особенностей растений в накоплении радиоактивных веществ уже отмечалась выше, но несмотря на это, следует заострить внимание на этом вопросе. Интенсивность поступления радиоактивных веществ из почвы в растения тесно связана с их биологическими особенностями. Если сравнить количество стронция-90 в злаковых и бобовых культурах, выращенных при прочих равных условиях, то концентрация радиостронция у бобовых будет значительно выше.

В экспериментах, проводимых на лугах, где стронций-90 был сосредоточен в верхнем трехсантиметровом слое, максимальная концентрация стронция-90 в расчете на единицу массы сухого вещества отмечена в бобовых травах (чина, клевер), а из разнотравья — лютике едком. Злаковые травы накапливали стронций-90 в несколько раз меньше, чем другие виды луговой растительности, что связано с более низкой кальциефильностью злаковых трав по сравнению с бобовыми растениями. Однако среди злаковых трав наблюдаются существенные различия в накоплении стронция-90. Так, плотнокустовые злаки, как овсяница овечья и мятлик полевой, в 1,5-3,0 раза больше накапливали стронция-90, чем корневищные злаки — пырей ползучий и костер безостый. Очевидно, в данном случае различия в накоплении стронция-90 не могут быть объяснены кальциефильностью. Здесь роль биологических особенностей растений в накоплении радиостронция в определенной мере связана с распространением новой массы корней по профилю почвы. В целом, более высокая концентрация стронция-90 в травах естественного луга, по сравнению с сеяными травами, объясняется лучшей задержкой его в верхнем дернистом слое почвы, откуда он без разбавления почвы кальцием легко поступает в растения (табл. 6).

Концентрация радиостронция в культурах коррелирует с содержанием кальция в растениях. При содержании стронция-90 в расчете на 1 г кальция (с. е.) среди сеяных трав выделялись лисохвост лугов клевер белый. Аномально высокое значение с. е. в растениях лисохвоста лугового и клевера белого связано с неглубоким распространением корневой системы, т. е. в слое почвы с наибольшей концентрацией стронция-90.

Роль биологических особенностей растений в поступлении радиоактивных веществ из почвы велика. Если сравнительно недавно в научной литературе отрицалось влияние сортовых различий на размеры поглощения радионуклидов, то в настоящее время наука располагает информацией, позволяющей утверждать, что размеры накопления радиостронция и степень его дискриминации по отношению к кальцию в процессе биологического транспорта из почвы в растения и при дальнейшем перераспределении этого нуклида по отдельным органа уже в самом растении находятся под контролем генетического аппарата.

Таблица 6

Накопление стронция-90 травами естественных лугов и некоторыми видами многолетних трав.

(с. е.) – содержание стронция на 1 г кальция

*мкКи – микрокюри

Изменение соотношения стронция и кальция происходит, очевидно, в передвижения этих элементов от корней к репродуктивным органам. Путь от корней до семени у зерновых культур и путь от корней до листьев у корнеплодов можно считать местом, где в растении осуществляется еще не раскрытое полностью наукой таинство дискриминации стронция по отношению к его химическому аналогу — кальцию.