Биогеохимия радионуклидов и экотоксикантовНИР

Biogeochemistry of radionuclides and ecotoxicants

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Радиоэкологический мониторинг наземных и водных экосистем в зонах влияния АЭС
Результаты этапа: Было изучено воздействие технологических выбросов Смоленской и Нововоронежской АЭС РФ на компоненты окружающей среды. Показано, что на современном этапе радиоэкологическая ситуация в зоне влияния САЭС и НВАЭС является вполне удовлетворительной. Ни по одному обследованному параметру на обследованных участках не обнаружено превышения нормативов радиационной безопасности. В 30-км зонах влияния Смоленской АЭС и НВАЭС уровни загрязнения природных экосистем по 137Сs и 60Со не выходят за пределы допустимых изменений. Особенности распределения техногенных радионуклидов (137Сs и 60Со) в наземных экосистемах 30-км зон влияния этих АЭС во многом определяется ландшафтными условиями и структурой сформированных здесь растительных сообществ, а также компонентом БГЦ. В изменении запасов радионуклидов в почвах прослеживается определенная зависимость их снижения по мере удаления от АЭС. В почвах автоморфных и гидроморфных ландшафтов, а также различных типов БГЦ запасы 137Сs и интенсивность его миграции в системе «почва- растение» различны. Наибольшая интенсивность миграции отмечается в почвах болотных фитоценозов и лиственных лесов. В водных экосистемах особенности распределения техногенных радионуклидов (137Сs и 60Со), как правило, определяются мощностью слоя воды (приповерхностная или придонная) и донных отложений. При этом удельная активность и запасы исследуемых радионуклидов в толще воды невелики и не превышают пределы допустимых. В 0-10 см поверхностном слое донных отложений удельная активность и запасы исследуемых радионуклидов также не превышают допустимых, при этом максимальные показатели наблюдается в отложениях площадок, находящихся в непосредственной близости от АЭС. Сделан вывод, что запас техногенных радионуклидов воде и донных отложениях водоемов территории исследуемых АЭС связан в основном с их аэральным поступлением. Среди компонентов биоты максимальным уровнем накопления 137Сs характеризуются грибы, меньшим - виды мохового покрова, затем травяно-кустарничкового яруса и минимальным - компоненты древесного яруса. Для оценки состояния природных сред зоны воздействия АЭС в качестве биоиндикаторов радиоактивного загрязнения 137Сs на современном этапе могут быть использованы различные компоненты. В наземных экосистемах: в древесном ярусе - ассимилирующие органы текущего года формирования и кора внутренняя; в травяно-кустарничковом ярусе - представители семейства папоротниковых; в моховом покрове – сфагновые мхи, а из зеленых мхов - плевроций Шребера; среди высших грибов - желчный гриб. В водных экосистемах - виды растений экологической группы «гидатофиты» (в частности роголистник погруженный), которые характеризуются максимальным накоплением 137Cs и 60Со.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Содержание, распределение и трансформация хлорорганических пестицидов в почвах г. Москвы
Результаты этапа: Рассмотрено содержание, распределение, степень и направление трансформации и формы поступления хлорорганических пестицидов (ХОП) в почвы Москвы; оценен уровень загрязнения почвы этими экотоксикантами на основе отечественных норм. В поверхностных слоях почв города суммарное содержание остаточных количеств дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) и его метаболитов - дихлордифенилдихлорэтилена (ДДЕ) и дихлордифенилдихлорэтана (ДДД) - находится в диапазоне 2,22-1440 мкг/кг при среднем значении 158,9±314,1 мкг/кг и медиане 42,53 мкг/кг, суммарное содержание α-, β-, γ- и δ-изомеров гексахлорциклогексана (ГХЦГ) - в диапазоне 0,12-7,54 мкг/кг при среднем значении 1,16±1,37 мкг/кг и медиане 0,65 мкг/кг, ГХБ – в диапазоне 0,33-3,33 мкг/кг при среднем значении 0,86±0,86 мкг/кг и медиане 0,55 мкг/кг. Содержание ДДТ и его метаболитов в почвах города от нескольких до десятков раз превосходит фоновые показатели для Европейской части РФ и лежит в диапазоне, характерном для городских почв Восточной Европы и Китая. Содержание изомеров ГХЦГ и содержание ГХБ соответствует фоновым значениям для РФ и близко к показателям, характерным для городских почв Европы. В почвах Москвы наиболее высокое содержание ДДТ и его метаболитов, а так же изомеров ГХЦГ отмечено в селитебно-транспортной и промышленной зонах, ГХБ - в зоне резерва. Пространственное распределение ДДТ и его метаболитов в поверхностных слоях почв не подчиняется нормальному или логнормальному закону. Распределение изомеров ГХЦГ и ГХБ описывается логнормальным законом. В поверхностных слоях почв установлена значимая положительная корреляция между содержанием ДДТ, его метаболитов, изомеров ГХЦГ и ГХБ. Аналогичная связь содержания данных экотоксикантов с содержанием органического углерода и рН не выявлена, за исключением значимой положительной корреляции содержания ДДЕ с содержанием органического углерода. В поверхностных слоях почв Москвы степень трансформации ДДТ в метаболиты мала. В 75 % почв трансформации подверглось менее половины исходного пестицида. В 67,5 % почв образование ДДД превалирует над ДДЕ. В расчете на все опробованные почвы города 16 % ДДТ превратилось в ДДЕ и 23 % ДДТ - в ДДД. В почвенных разностях промышленной и селитебно-транспортной зон трансформация ДДТ идет с преимущественным образованием ДДД (ДДД > ДДЕ), в почвах парково-рекреационной и селитебной зон метаболиты образуются в равных количествах (ДДД ≈ ДДЕ). Для 95 % почв города отношение изомеров о,п'-ДДТ/п,п'-ДДТ < 0,3, а среднее значение этого показателя составляет 0,1, что характерно при применении ДДТ в форме технического препарата. Вклад α-, β-, γ- и δ-изомеров ГХЦГ в их суммарное содержание в поверхностных слоях почв в среднем равен 18,8, 34,1, 41,1 и 6,0 % соответственно, а отношение α-ГХЦГ/γ-ГХЦГ лежит в диапазоне 0,056 - 3,2 при среднем значении 0,69±0,76. Данные показатели свидетельствует о применении пестицида преимущественно в форме препарата линдана и относительно высокой степени его трансформации пестицида. Наиболее интенсивно процесс трансформации имел место в почвах парково-рекреационной и селитебных зон, где относительное содержание β-ГХЦГ в смеси изомеров равно или даже превосходит содержание γ-ГХЦГ. Содержание ХОП в профиле урбанозема дендропарк Ботанического сада МГУ им.М.В.Ломоносова на Воробьевых горах) изменяется в диапазоне 33,6-147,0 мкг/кг (сумма ДДТ и его метаболитов), 0,3824-0,9863 мкг/кг (сумма изомеров ГХЦГ) и 2,479-5,868 мкг/кг (ГХБ). Вертикальное распределение ДДТ, ДДЕ и изомеров ГХЦГ характеризуется максимальным содержанием этих экотоксикантов в гумусовом горизонте Аu (0-10 см ) и/или верхней части техногенного слоя U (10-20 см) почвы, ДДД – в нижней части почвенного профиля в техногенном слое U+[А](50-60 cм), ГХБ - в техногенном слое U (20-30 см). В профиле почвы установлена значимая положительная корреляция содержания изомеров ГХЦГ с ДДТ и ДДЕ и их отрицательная корреляция со значением рН. Между содержанием метаболитов ДДЕ и ДДД выявлена значимая отрицательная корреляционная связь, а между содержанием ГХБ и нефтепродуктов - значимая положительная связь. В профиле урбанозема степень трансформация ДДТ возрастает с глубиной от 5,7 % в поверхностном слое Аu (с образованием преимущественно метаболита ДДЕ) до 37,6 % в слое U+[A] (50-60 см) нижней части почвенного профиля (с образованием преимущественно метаболита ДДД). Степень трансформации ГХЦГ, наоборот, в нижней части почвенного профиля снижена по сравнению с поверхностными слоями почвы. По содержанию остаточных количеств ДДТ и его метаболитов большая часть почвенных разностей на территории Москвы может быть отнесена к категориям загрязнения «чистая» (80,0 %, <ПДК) и «допустимая» (7,5 %, 1-2ПДК) для почв населенных мест РФ, меньшая часть - к категориям «опасная» (7,5 %, 2-5ПДК) и «чрезвычайно опасная» (5,0%, >5ПДК). По содержанию остаточных количеств ГХЦГ (0,0014-0,069 от ПДК) и ГХБ (0,0011-0,11 от ОДК) все исследованные почвенные разности могут быть отнесены к категории загрязнения «чистая».
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Пространственное варьирование содержания радионуклидов и органических экотоксикантов в почвах фоновых и загрязненных территорий
Результаты этапа: Рассмотрены закономерности вертикального распределения и статистические показатели пространственной вариабельности токсикантов и радионуклидов в почвах на фоновых, слабо- и сильнозагрязненных территориях в Центральном регионе России и о. Сахалин. В однотипных почвах и биогеоценозах наблюдаются сходные особенности профильного распределения Сs-137, сформировавшиеся в отдаленный период после чернобыльских выпадений и на фоновых территориях в условиях глобальных радиоактивных выпадений. По увеличению интенсивности заглубления Сs-137 вглубь почвы исследованные экосистемы формируют ряд: сосняки < дубравы < березняки < залежи < агроценозы < урбоэкосистемы. Коэффициенты вариации плотности загрязнения Cs-137 в почвах на фоновых территориях в условиях глобальных радиоактивных выпадений составляют 15–25%. В дальней зоне чернобыльских выпадений вследствие неравномерности радиоактивного загрязнения коэффициенты вариации Cs-137 в почвах повышаются до 25–50%. В почвах лесных биогеоценозов пространственная структура распределения Сs-137 связана с дендрометрическими показателями и парцеллярным строением фитоценозов. В почвах агроценозов отмечена линейная конфигурация пространственного распределения Сs-137. В урбоэкосистемах пространственное распределение Сs-137 связано с характером техногенных процессов в верхних слоях почвы и проводившимися дезактивационными мероприятиями. На исследованной нефтедобывающей территории о. Сахалин определены региональные фоновые уровни содержания углеводородов нефти, составившие в подзолах 100–500 мг/кг, в торфяных почвах и торфяно-глееземах – 100–2000 мг/кг. На промышленных площадках месторождения Катангли отмечены ореолы нефтяного загрязнения, приуроченные к верхним горизонтам почв, а также по кромке почвенно-грунтовых вод. Коэффициенты вариации содержания углеводородов нефти в них составляли 90–165 %. Распределение бенз(а)пирена по профилю почв о. Сахалин характеризуется регрессивно-аккумулятивным типом. Уровни содержания бенз(а)пирена на импактных территориях северо-восточного Сахалина и вблизи Южно-Сахалинской ТЭЦ выше фоновых, но ПДК (0,02 мг/кг) не превышена. В торфяных почвах и торфяно-глееземах на импактных территориях среднее содержание бенз(а)пирена увеличивается в следующем ряду горизонтов: Tmr < TO2 < O < TO1, при этом коэффициенты вариации в исследованных органогенных слоях составляли 52,5–85,6%. В почвах урболандшафтов Московского региона загрязнение почв нефтепродуктами (НП) с превышением ОДК (1000 мг/кг) зафиксировано в придорожных зонах и обусловлено локальными проливами горюче-смазочных материалов. Рассмотрено распределение токсикантов в профилях почв вблизи полигона ТБО «Торбеево» (Люберецкий район Московской области). Выявлено многократное превышение ПДК бенз(а)пирена и фоновых уровней других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в почвах на расстоянии 100 м от полигона ТБО вблизи автодороги. Для высокомолекулярных ПАУ протяженность ореолов загрязнения достигает 750 м от полигона ТБО. В урбаноземе на территории города Москвы отмечена аккумуляция ПАУ и полихлорированных бифенилов (ПХБ) в поверхностном слое гумусово-аккумулятивного горизонта, а также в техногенном горизонте в средней части почвенного профиля. В условиях аэротехногенных потоков поллютантов от источников загрязнения, а также выбросов и проливов от автотранспорта увеличивается пространственная гетерогенность загрязнения почв органическими токсикантами. Коэффициенты вариации содержания НП, ПАУ, ПХБ в почвах контрольных участков в урболандшафтах Москвы и Московской области достигали 100 % и более, самые высокие уровни загрязнения и степень варьирования органических токсикантов отмечены в почвах промышленных зон. На фоновых территориях пространственное варьирование загрязняющих веществ обычно удовлетворительно аппроксимируются нормальным законом, тогда как при повышенной техногенной нагрузке часто проявляется логнормальный закон или полимодальность распределения. При планировании объемов выборок для оценки среднего уровня загрязнения различными веществами техногенной природы необходимо располагать информацией о степени их пространственного варьирования. Для большинства участков, исследованных в нашей работе на загрязненных и фоновых территориях при коэффициенте вариации меньше 50 %, обосновано применение традиционной конвертной методики почвенного пробоотбора с объемом выборки 25. При более высокой вариабельности количество почвенных проб, необходимое для достоверной оценки среднего уровня загрязнения, следует значительно увеличивать, но реализовывать пробоотбор за счет объединения их в смешанные образцы на отдельных промышленных площадках или в урболандшафтах. Отмечена пространственная сопряженность варьирования радионуклидов и токсикантов с неоднородностью почвенных свойств. В дальней зоне чернобыльских выпадений интенсивность вертикальной миграции Cs-137 в серых лесных почвах связана с их физическими свойствами. В импактной зоне Южно-Сахалинской ТЭЦ зафиксирована сопряженность распределения бенз(а)пирена с содержанием гумуса и плотностью верхнего горизонта почвы. В торфяных почвах на северо-востоке о. Сахалин выявлена отрицательная корреляционная связь содержания углеводородов с зольностью органогенных горизонтов, которая указывает на преобладание в их составе природных битумоидов. Зафиксированная в отдаленный период после чернобыльских выпадений, пространственная сопряженность Cs-137 и кислоторастворимых соединений Pb в почвенной подстилке связана с их общим миграционным потоком в лесном биогеоценозе. В почвах Московского региона отмечены положительные корреляционные связи между накоплением органических токсикантов, относящихся к одной химической группе (НП, ПАУ, ПХБ) и поступивших в почву от общего источника загрязнения. Загрязняющие вещества, имеющие различные химические характеристики и пути миграции в почвах, не проявляют взаимной пространственной сопряженности.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Особенности биогеохимического цикла 137Cs в агроландшафтах в отдаленный период после чернобыльских выпадений
Результаты этапа: Исследование современных уровней накопления Cs-137 в почвах и основных культурах полевого и кормового сельскохозяйственных оборотов в агроценозах черноземной зоны проводилось на территории Плавского радиоактивного пятна Тульской области, где первоначальный уровень накопления радионуклида в почвах оценивался как 185–555 кБк/м2. Сравнительное опробование пахотных и целинных черноземов Плавского радиоактивного пятна по генетическим горизонтам почв с последующим анализом содержания в них Cs-137 показало значительную вариабельность величин удельной активности и запасов радионуклида в почвах, которые в агроценозах различных культур изменяются в пределах от 338±77 до 685±55 Бк/кг (от 129±28 до 223±24 кБк/м^2 соответственно). При этом можно отметить интенсивное перераспределение радионуклида с твердым поверхностным стоком от верхних частей склонов водоразделов к надпойменным террасам и речным поймам, где целинные черноземы суходольных лугов и аллювиальные луговые карбонатные почвы под влажными пойменными лугами характеризуются повышенными ≈ 40% запасами Cs-137 по сравнению с геохимически связанными с ними пахотными почвами долинного комплекса. Анализ распределения Cs-137 по профилю почв показал, что в качестве реабилитационной контрмеры на пахотных угодьях территории была применена глубокая вспашка до ~30 см, которая позволила снизить величину удельной активности радионуклида в пределах корнеобитаемого слоя. В этой связи для сельскохозяйственных растений Плавского радиоактивного пятна, которые выращиваются с мелкой дисковой вспашкой глубиной ~10 см (пшеница и ячмень) или без ежегодной обработки почвы (многолетние травосмеси) в пределах основной корнеобитаемой толщи оказывается только 32-33% пула радиоцезия; у культур, возделываемых с глубиной пахоты ~20 см (гречиха, горчица, амарант) в зоне контакта почвы и корней находится 65-66% пула радиоцезия; и только культуры, агротехника которых предполагает вспашку с оборотом пласта ~25 см (кукуруза, соя, картофель), как и растительность природных лугов, потребляют Cs-137 практически из всей толщи загрязненной части почвы. В целинных чернозёмных и аллювиальных луговых почвах территории глубина массового проникновения Cs-137 ограничивается слоем 9-13 см, совпадающим с мощностью дернового горизонта, а распределение радионуклида имеет регрессивно-аккумулятивный характер. Анализ величин удельной активности Cs-137 в продуктивных частях основных культур полевого севооборота (зерно пшеницы, ячменя, гречихи и горчицы, клубни картофеля, зеленая масса кукурузы, амаранта, рапса, сои, бобово-злаковой травосмеси) и в укосах луговых трав, которые потенциально могут использоваться на корм скоту, показал, что содержание радионуклида не превышает нормативные уровни, указанные в качестве допустимых в СанПиН 2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов» и ВП 13.5.13/06-01 «Ветеринарно-санитарные требования к радиационной безопасности кормов, кормовых добавок, сырья кормового» (в действующих редакциях документов нормативные требования к содержанию Cs-137 сохранены только в отношении картофеля и кормовых трав). В общей биомассе всех исследованных агро- и фитоценозов (включая надземную и подземную часть растений) что значения коэффициентов накопления Cs-137 составляют существенно менее 1, варьируя от 0,01 (рапс) до 0,19 (злаковый влажный луг), что подтверждает общую дискриминацию корневого потребления радионуклида травянистыми растениями. Ранжирование величин коэффициентов накопления для исследованных растительных сообществ позволило выявить закономерности в интенсивности перехода Cs-137 для различных семейств растений: наименьшими КН отличались Капустные (0,01), Амарантовые (0,03) и Бобовые (0,04), промежуточными – Пасленовые (0,05), относительно повышенными – Злаки (0,06-0,15 культурные представители, 0,16-0,19 дикорастущие представители). В целом, наблюдается существенное различие в корневом поглощении Cs-137 и его транслокации в надземные органы между классами однодольных растений с мочковатой корневой системой и двудольных растений со стержневой корневой системой. Особенности корневого поглощения Cs-137 растениями семейств одно- и двудольных растений дополнительно изучались в условиях модельного опыта на примере тест-культур ярового овса (Avena sativa L.) и листового салата (Lactuca sativa L.). Имитировалось поступление радионуклида в составе атмосферных осадков в монолиты пахотных черноземных почв ненарушенного сложения, отобранных на территории Плавского радиоактивного пятна. На основе интегрированного подхода с использованием методов цифровой авторадиографии и гамма-спектрометрии выявлен гетерогенный характер вертикального и латерального распределения Cs-137 в профиле почв и показана низкая биологическая доступность радионуклида растениям. Были подтверждены выявленные при полевых наблюдениях биологические особенности корневого потребления Cs-137: у овса – ограничение транслокации элемента в побеги путем его относительной аккумуляции в корнях, у салата – ограничение общего поступления радионуклида в растения при его равномерном распределении между корнями и побегами. В целом, результаты полевых и лабораторных наблюдений продемонстрировали, что дискриминация корневого потребления Cs-137 травянистой растительностью приводит к незначительным параметрам перехода радионуклида из почв в растения и, несмотря на долговременность радиоактивного загрязнения почв черноземной зоны, существуют разумные основания для получения на землях пост-чернобыльских ландшафтов растительной продукции, приемлемой по содержанию Cs-137.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Имитационное моделирование и информационные технологии в изучении поведения техногенных загрязнителей в экосистемах
Результаты этапа: С позиций экоцентрического подхода проанализированы наиболее актуальные аспекты имитационного моделирования поведения радионуклидов в пищевых цепях наземных экосистем. Выделены критические моменты, препятствующие созданию надежных моделей, и предложены подходы, позволяющие в перспективе по мере накопления исходной информации разрабатывать необходимые средства прогнозирования последствий радиоактивного загрязнения природных экосистем. Разработаны и реализованы ввиде програмных продуктов два разноуровневых алгоритма для моделей посуточной динамики радиоцезия в пищевых цепях наземных экосистем ECORAD_FC и EcoradOak_CS_FW. Построенные на этих алгоритмах модели позволяют также осуществлять прогноз или реконструкцию динамики дозовой нагрузки на животных, участников пищевых цепей (сетей) при различных условиях радиоактивного загрязнения. Алгоритм ECORAD_FC, носит общий характер и отображает пищевую цепь типа « продуценты (растения) – консументы 1 порядка (травоядные животные) – консументы 2 порядка (хищники) ». Построенная на основании данного алгоритма модель является детерминированной и точечной – значения переменных определяются однозначно, а величины переменных состояния зависят только от времени. Учитывается динамика биологической доступности радионуклидов почвы растениям. При расчетах используются коэффициенты перехода. Несмотря на простоту данной версии модели она будет предпочтительнее в условиях недостатка исходной информации, например в острый период после однократного радиоактивного загрязнения или в случае недостаточной изученности объекта моделирования. Алгоритм EcoradOak_CS_FW позволяет учитывать влияние климатических факторов, воспроизводит физиологические процессы перераспределения радиоцезия в растениях и отчасти в животных. Модели, построенные на этом алгоритме, предназначены для имитации перераспределения радионуклидов в пищевых цепочках и сетях с конкретными объектами – животными, для которых имеется в необходимом объеме исходная информация. Модель является точечной и стохастической – учитывается вероятностный характер метеорологических показателей, что влечет за собой неоднозначность поведения радиоцезия в экосистеме в разные годы. Предлагаемые алгоритмы позволяют легко усложнять модели при наличии необходимых исходных данных и создают предпосылки дальнейшего развития моделей до «физиологического» уровня при котором более полно учитываются особенности метаболизма животных. В рамках цифровизации радиоэкологических исследований создан и постоянно развивается сетевой учебно-информационный ресурс «ЭКОРАДМОД». Главная задача данного портала – внесение дополнительного вклада в формирование единого информационного поля знаний по радиоэкологии, обобщение различных материалов по радиоэкологии и радиобиологии, в первую очередь статей, монографий, учебных пособий и облегчение доступа к ним самого широкого круга пользователей, интересующихся радиоэкологической проблематикой. Дополнительно на нем для ознакомления могут размещаться демонстрационные версии радиоэкологического программного обеспечения, в том числе и прогностических моделей.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".