Поведение радионуклидов в почвах

Радиоактивное загрязнение почвы обусловлено тем, что искусственные радионуклиды поступают на поверхность суши из атмосферы в составе глобальных выпадений и выбросов предприятий ядерного топливного цикла, а также в виде твердых и жидких отходов этих предприятий.

Почвенная оболочка биосферы является одним из основных компонентов природы, где происходит локализация искусственных техногенных радионуклидов. Почвенный покров не всегда является первоначальным вместилищем искусственных радионуклидов, часто в качестве такового выступают нижние слои атмосферы, куда производятся выбросы радионуклидов. Однако вследствие интенсивного очищения приземного воздуха от примесей радионуклиды быстро оседают на почвенный покров. Возможно также поступление в почву радионуклидов и после их сброса в речные системы (с паводковыми водами, при орошении и т. п.). Почва, обладающая большой емкостью поглощения, интенсивно сорбирует различные техногенные примеси, в т. ч. радионуклиды, являясь, таким образом, мощным депо радионуклидов.

Почва является сложной и изменяющейся системой, в составе которой выделяются несколько относительно однородных подсистем:

) грубозернистая фракция - обломки первичных минералов горных пород;

) тонкая (мелкодисперсная) фракция - вторичные глинистые минералы, гумус (перегной) и т. д.;

) пленки-гели, покрывающие частицы и состоящие из оксидов железа, марганца, алюминия, кремниевой кислоты, органических веществ, солей и т. д.;

) флора и фауна - корни растений, микроорганизмы, принимающие участие в разложении мертвых остатков, и макроорганизмы, напр. черви, насекомые, некоторые млекопитающие, которые при движении в почве способствуют ее перемешиванию;

) почвенные растворы;

) почвенная атмосфера - газы.

Радиоактивные вещества, отложившиеся на поверхности почвы, могут перемещаться (мигрировать) в горизонтальном и вертикальном направлении под действием различных процессов. Причиной горизонтального передвижения свежевыпавших радиоактивных веществ может быть поверхностный сток после сильного дождя. В сухую погоду перемещение радионуклидов может осуществляться в результате ветрового переноса вместе с пылью. Передвижение радиоактивных веществ вниз по профилю почвы может явиться следствием механического переноса частиц, на которых сорбированы радионуклиды, а также результатом собственного перемещения свободных ионов с водой через трещины, образующиеся в почве в сухую погоду. На обрабатываемых почвах радионуклиды оказываются сравнительно равномерно перемешанными в пределах пахотного слоя. Даже на целинных участках возможен механический перенос радионуклидов вследствие роющей деятельности почвенных животных или вымывания частиц вниз по почвенному профилю [3, с. 239].

Поведение попавших на поверхность почвы радионуклидов зависит от климата и ландшафтных особенностей. Так, стронций-90 из почв климатической зоны с повышенным увлажнением выносится более интенсивно благодаря обилию водорастворимых органических соединений. В почвах зоны с засушливым климатом стронций-90 аккумулируется на испарительных барьерах с образованием слаборастворимых карбонатов. В сопряженных ландшафтах (между водоразделами) наблюдается накопление стронция-90 в пониженных элементах рельефа. Минимальное содержание стронция-90 характерно для почвы водоразделов с промывным режимом.

Практически любое перемещение радионуклидов в почве до их поглощения живыми организмами осуществляется при участии воды, которая является главным агентом в любых перераспределениях радионуклидов в почве. В некоторых случаях радионуклиды быстро переходят в те же формы, в которых находятся в почве стабильные изотопы этих элементов. Однако чаще в почвенном растворе искусственные радионуклиды некоторое время сохраняют свою специфическую форму (зависящую от условий их образования), поэтому характер их миграции вначале не совпадает с характером миграции стабильных элементов. Но с течением времени (в некоторых случаях очень быстро) искусственные радионуклиды обязательно переходят в устойчивые, характерные для данного элемента состояния и включаются в биогеохимические циклы. При попадании на почву крупнодисперсных нерастворимых (горячих) частиц последние задерживаются в ее верхних слоях значительно дольше, но и они постепенно разрушаются, и радионуклиды переходят в почвенный раствор.

Миграционные возможности радионуклидов, перешедших в водный раствор, их передвижение по почвенному профилю в основном определяются характером взаимодействия с почвой. Почва довольно прочно удерживает попадающие в нее радиоактивные вещества. Для подавляющего большинства радионуклидов поглощение их почвой зависит от процессов распределения между двумя основными фазами - твердой и жидкой (почвенный раствор) и осуществляется главным образом в результате противоположных процессов: сорбции - поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) вещества из окружающей среды, и десорбции - процесса освобождения сорбента от поглощенных им веществ; осаждения и растворения труднорастворимых соединений; коагуляции - слипания коллоидных частиц и пептизации - распада этих частиц. В свою очередь интенсивность этих процессов определяется типом почвы, обусловливающим химические и физико-химические условия среды; химическими свойствами и формой находящихся в почве радионуклидов; концентрацией и формой нахождения изотопных и неизотопных носителей. (В химии носителем называют весомое количество элемента, за которым «невесомое» (ультрамалое) количество элемента следует в химических реакциях. Изотопный носитель - это стабильный изотоп данного элемента, химические свойства которого тождественны его радиоактивному изотопу, напр. стабильный фосфор-31 и радиоактивный фосфор-32. Неизотопный носитель - это стабильный изотоп или изотопы химического элемента, которые лишь аналогичны по групповым химическим свойствам данному радионуклиду, напр. кальций - по отношению к радионуклидам стронция или калий - по отношению к радионуклидам цезия.)

В зависимости от типа почвы меняется степень поглощения радионуклидов, прочность их связи, а также сочетание тех или иных механизмов поглощения. Напр., песчаная почва по сравнению с глиной и суглинком в меньшей степени удерживает радионуклиды вследствие структурных особенностей. С физико-химических позиций сорбционная способность почвы тем выше, чем больше ее ионообменная емкость или чем больше в ней соединений, которые могут химически реагировать с радионуклидами. Глины и суглинки обладают высокой сорбционной емкостью, в силу чего продвижение в них радионуклидов затруднено. Относительно большой сорбционной способностью обладают черноземные почвы, что отчасти связано с наличием в их составе гумуса, который содержит высокомолекулярные вещества, находящиеся в коллоидном состоянии и отличающиеся хорошей обменной емкостью поглощения [3, с. 250].

Прочность удержания радионуклидов на частицах грунта различна и зависит от химических свойств каждого из них. Так, для осколочных радионуклидов (продуктов деления) поглощение почвой одного типа возрастает в ряду: рутений-106-стронций-90- церий-144-цезий-137, а прочность связи возрастает в ряду: стронций-90-рутений-106- цирконий-95-церий-144-цезий-137. Это во многом определяется различиями в механизме поглощения. Ионообменный механизм преобладает для радионуклидов стронция, которые обмениваются со стабильным стронцием и кальцием почвенного поглощающего комплекса. Для редкоземельных элементов, а также радионуклидов циркония, рутения, цезия ионообменный механизм имеет второстепенное значение. Редкоземельные элементы, как правило, образуют труднорастворимые гуматы, фосфаты, карбонаты, сульфаты, которые, отличаясь меньшей растворимостью, чем соответствующие соединения кальция, тем не менее, легко его замещают. Замещение преобладает и при поглощении цезия-137, который замещает калий в кристаллических решетках глинистых минералов.

На интенсивность и полноту поглощения радионуклидов, а также прочность их закрепления в твердой фазе почвы существенное влияние оказывает реакция среды, ее кислотность (рН). Независимо от того, что является носителем кислотности - почвенный раствор или твердая фаза, при низких значениях РН среды отмечается менее полная и прочная фиксация радионуклидов в почве. В этом отношении кислые почвы значительно менее способны к сорбции, чем почвы с нейтральной реакцией.

Радионуклиды, как правило, находятся в почве в ультрамалом количестве. Напр., содержание стронция-90 глобальных выпадений на поверхности почвы в среднем равно 10 мКи/км2 (примерно в 10 раз ниже содержания в почве стабильного стронция). Очень низкая массовая концентрация искусственных и естественных радионуклидов в почве и почвенных растворах обусловливает существенную зависимость поведения радионуклидов в почве от концентрации и свойств их изотопных и неизотопных носителей. Так, перемещающийся в почве стронций-90 распределяется между обменным кальцием почвы и кальцием, находящимся в почвенном растворе. В обоих случаях кальций выполняет функцию неизотопного носителя, при этом, чем больше обменного кальция в почве, тем больше задерживается в ней стронция-90 и чем больше кальция в растворе, тем больше стронция-90 остается в нем.

Скорость поглощения радионуклидов почвой зависит, прежде всего, от их растворимости. Водорастворимые формы радионуклидов легче взаимодействуют с почвенным поглощающим комплексом, чем малорастворимые. В составе глобальных выпадений доля растворимой фракции составляет: стронций-90 - 30-90%, цезий-137 -30-80%, церий-144 - 4-40%, цирконий-95 + ниобий-95 - 60-90%. Фиксация радиоизотопов стронция различными типами почвы в среднем равна 80-90%, однако они сравнительно легко десорбируются под действием нейтральных солей. Активно взаимодействует с твердой фазой радионуклид цезия, задерживаясь на ней на 93-95%. Однако в отличие от стронция цезий десорбируется значительно хуже.

Поглощение почвой радионуклидов препятствует их миграции вниз по профилю почвы, проникновению в грунтовые воды и, в конечном счете, определяет их аккумуляцию в верхних почвенных горизонтах. Так, на целинных участках, естественных лугах и пастбищах радионуклиды задерживаются в самом верхнем слое (0-5 см). После обработки почвы радионуклиды находятся преимущественно в пахотном слое.

Процесс поглощения радионуклидов почвой имеет двоякое значение: с одной стороны, снижается уровень их поступления в растения, с другой - накопление поглощенных радионуклидов в верхних слоях почвы (слое наибольшего распространения корней растений) повышает их доступность для растений, следовательно, способствует большему накоплению радионуклидов в растительной массе, чем при их свободном передвижении в более глубокие горизонты [3, с. 252].

.Особое место в радиоактивном загрязнении почвы занимают трансурановые элементы - плутоний, америций, кюрий, нептуний. Они имеют периоды полураспада до тысяч и десятков тысяч лет и поэтому являются источниками практически вечного загрязнения для человечества. Трансурановые элементы не имеют стабильных аналогов в природе, что определяет своеобразие их поведения. Плутоний относится к химическим элементам с малой подвижностью в почве, где он медленно перемещается вглубь в основном за счет диффузии. Скорость миграции, напр. диоксида плутония в почве составляет примерно 0,8 см/год, при этом он передвигается в почве приблизительно в 100 раз быстрее, чем нитрат плутония. Незначительная часть плутония (тысячные доли процента), содержащегося в почве, усваивается растениями, при этом основное количество плутония задерживается в корнях и только незначительная часть переходит в наземную часть растений. В поверхностных слоях почвы и донных отложениях содержится более 99% поступившего в биосферу плутония; в биологических компонентах экосистем находится соответственно менее 1% плутония, большая часть которого связывается растениями.

Основной фактор, влияющий на поведение в почве америция и кюрия, - гидролиз. Поскольку гидроксиды америция и кюрия обладают более высокой растворимостью по сравнению с гидроксидами плутония, они характеризуются более высокой подвижностью в почве и доступны для растений.

Поведение нептуния в почве наименее изучено. Известно, что его соединения отличаются наибольшей растворимостью среди всех трансурановых элементов и наиболее доступны для биоты.

Миграция радионуклидов из мест временного или окончательного захоронения изучена недостаточно. В целом поведение всех радионуклидов в почве подчинено одним и тем же закономерностям, описанным выше. Однако есть особенности, отличающие поведение радионуклидов, поступивших в почву в виде аэрозольных выпадений или в составе жидких отходов. В первом случае радионуклиды в виде субмикронных частиц попадают в неизменную природную среду и включаются в существующие в ней геохимические циклы. Во втором случае в почву поступает большое количество разнообразных веществ, резко меняющих химические и физико-химические условия среды, и миграция радионуклидов обусловливается обстановкой, сложившейся в итоге взаимодействия загрязняющих веществ с природной средой [3, с. 255].

Список используемой литературы

1. Вавилов П.П. Растениеводство / П.П. Вавилов - М.: Колос,1986. - 512с.

2. Корнеев Г.В. Растениеводство с основами селекции и семеноводства/ Корнеев Г.В. / Агропромиздат - М. 1990. - 574с.

.   Пасыпанов Г.С. Растениеводство / Г.С. Пасыпанов / под ред. Пасыпанова - М. 2006. - 602с.

4. Растениеводство: Учебное пособие для студентов учреждений обеспечивающих получение высшего образования по специальности «Агрономия» / К.В. Коледа и др. под ред. К.В. Коледы, А.А. Дудука - Минск: ИВЦ Минфина, 2008-480с.