Поступление радионуклидов из почв в растения является первым звеном в пищевой цепочке их перехода из абиотических компонентов экосистем в биотические, в том числе и в организм человека. Концентрация радионуклидов в растениях зависит от
204
целого ряда факторов. Основными факторами являются: 1) концентрации и формы нахождения радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы; 2) геохимические особенности радионуклидов и присутствие близких по химическим свойствам элементов (носителей); 3) видовые особенности растения.
Уровень содержания радионуклидов в почвах определяется их содержанием в подстилающих породах, о чем говорилось в предыдущем разделе. От форм нахождения радионуклидов в почве зависит их доступность для растений. Почва - сложная полидисперсная система, в составе которой можно выделить несколько более или менее однородных подсистем: 1) обломки минералов горных пород; 2) глинистые минералы; 3) грубый гумус; 4) тонкий гумус; 5) пленки-гели, покрывающие почвенные частицы и состоящие из гидроксидов Fe, Mn, Al, кремнекислоты, органического вещества, различных солей; 6) живые корни растений; 7) почвенная фауна и микроорганизмы; 8) почвенные растворы; 9) почвенные газы. Радионуклиды находятся во всех компонентах почвы, хотя и в разных концентрациях и соотношениях. С почвенными газами связаны лишь изотопы радона.
Наиболее доступны для растений радионуклиды, находящиеся в почве в растворенном виде. Однако растения могут извлекать химические элементы, в том числе и радионуклиды, из твердой фазы почвы. Кислые корневые выделения растений способны растворять относительно подвижные формы радионуклидов, связанные в минерально-обломочной фракции почв и растворимые в слабых кислотах (обменные, сорбционные и др.). Сорбция на гумусовом веществе с последующим переходом в необменные формы делает радионуклиды слабо доступными для растений, тем более, что гумусовые кислоты растворяются лишь в щелочах. На тех почвах, где основная масса радионуклидов прочно связана в гумусовых горизонтах, наблюдается снижение коэффициентов накопления растениями радионуклидов (КН). В качестве иллюстрации в табл. 8.6 приведены КН и Kвод (коэффициенты водной миграции) для ряда районов Урала и Тимана, где подстилающими породами являются гранитоиды. На участках Полярного Урала и Тимана они затронуты метасоматическими процессами, в результате чего торий и уран в значительной степени оказались связанными в устойчивых к процессам выветривания минералах редкоземельных элементов (Титаева, Таскаев, 1983).
205
Таблица 8.6
Средние значения КН и Kвод для ряда районовУрала и Тимана
| Природно-климатическая зона |
Район |
238U |
226Ra |
232Th |
| КН |
Kвод |
КН |
Kвод |
КН |
Kвод |
| Тундра |
Полярный Урал |
0,21 |
0,09 |
8,5 |
- |
0,5 |
0,02 |
| Тайга |
Северный Урал |
0,08 |
1,7 |
3,4 |
11,2 |
0,03 |
0,2 |
| Тиман |
0,17 |
0,07 |
4,4 |
0,3 |
0,30 |
0,07 |
| Лесостепь |
Южный Урал |
0,005 |
0,9 |
0,7 |
1,2 |
0,46 |
- |
Для U отчетливо наблюдается обратная зависимость между КН и Kвод. В районах Полярного Урала и Тимана, где U и Th изоморфно входят в минералы редкоземельных элементов и слабо подвижны, Kвод имеют минимальные значения. В то же время U здесь, очевидно, доступен для растений, так как величины его КН максимальны. В аналогичном Тиману таежном районе Северного Урала преобладают рассеянные формы урана в подстилающих гранитах. Он сравнительно легко извлекается природными водами из обломков пород, а затем прочно связывается гумусом на восстановительных барьерах и становится слабо доступным для растений. Здесь КН урана низкие. Для черноземов Южного Урала, где гумус представлен слаборастворимыми гуматами Са, подобный процесс наиболее характерен.
Для Th аналогичная закономерность также имеет место. Минимальные величины КН для него отмечены лишь в районе Северного Урала, где интенсивность водной миграции Th наиболее высока. КН изотопов радия в меньшей степени зависят от форм нахождения материнских радионуклидов, видимо, потому что они во всех случаях являются атомами отдачи. Так же как и для U, для Ra самые низкие значения КН отмечены в лесостепной зоне, где он связан в почвах в нерастворимых гуматах и сульфатах Са.
Изотопное отношение урана 234U/ 238U зависит от формы нахождения дочернего изотопа и может служить ее трассером. При гомогенном распределении всех изотопов урана в питающем субстрате (например, в воде) их изотопное отношение в растении будет таким же, как и в питающей среде. Если более подвижный 234U из почвенных растворов прочно фиксирован гумусом, он является менее доступным для растений, чем 238U, преимущественно находящийся в минеральной матрице почв. В этом случае (234U/ 238U)pacт < (234U/ 238U)почв. Изотопное отношение 228Th/ 232Th в растениях всегда больше, чем в почве, за счет высоких значений КН для изотопов радия (228Ra находится в цепочке распада между данными изотопами Th).
206
Уран не является биогенным элементом. КН урана обычно ниже 1. При этом наблюдается довольно отчетливая зависимость КН от содержания урана в почвах. При содержаниях U, близких или равных 10-3 %, КН уменьшается. Это объясняется существованием в корнях растений определенного биологического барьера, препятствующего проникновению в надземную часть концентраций выше нескольких миллиграммов на 1 кг золы (Ковалевский, 1966). Поэтому в корнях накапливается существенно больше U, чем в надземных органах. В одном и том же растении различные органы содержат U в неодинаковых количествах, что обусловлено его накоплением помимо корней в более старых органах (древесине, крупных ветках, коре) в отличие от сравнительно молодых листьев и хвои. Самой высокой способностью к накоплению U обладают мхи, в которых его содержание на порядок выше, чем в других видах растений того же биогеоценоза. Например, для Полярного Урала КН урана для мхов достигает 6,9 при среднем значении 2,3, в то время как для кустарников и кустарничков эта величина не превышает 1. В целом низшие растения концентрируют уран в большей степени, чем высшие. В накоплении U высшими растениями также наблюдаются видовые различия (Титаева, Таскаев, 1983). Из древесной растительности наиболее высокие КН отмечены у березовых. Так, на Южном Урале КН для березы пушистой достигает 0,9 при среднем значении для всех видов растительности, равном 0,05. Минимальное накопление U повсеместно отмечается у травянистой растительности, прежде всего у злаковых. У культурных зерновых растений зерно содержит в 2 раза меньше U, чем солома.
Торий, подобно U, не является биогенным элементом, и его КН всегда ниже единицы. Как и для U, для него существует корневой биологический барьер. В зависимости от форм нахождения в почве и видовых особенностей растений пороговая концентрация Th лежит в пределах от 10-4 до 10-2 мг/кг. Нередко КН тория выше, чем КН урана. Для перечисленных выше районов Урала и Тимана такой эффект наблюдался у более чем 70% исследованных наземных растений (Титаева, Таскаев, 1983). Это легко объяснимо с позиций различий форм нахождения элементов. Во многих случаях в корнеобитаемом горизонте почв U прочно связан в слабо доступных для растений гумусовых соединениях, a Th находится в минеральной фракции почв и поэтому легче извлекается корневыми выделениями. Особенно ярко эта зависимость наблюдается для черноземов Южного Урала (см. табл. 8.6.).
207
Основными концентраторами тория во многих районах являются лишайники. Среди высших растений наиболее высокие значения КН были отмечены у березовых, а низкие - у травянистой растительности, в первую очередь у злаковых.
Радий, в отличие от U и Th, в природных условиях практически не имеет биологического барьера, хотя в корнях его содержание в несколько раз выше, чем в надземной части. Поэтому для Ra характерны КН больше 1. Можно предположить, что причиной этого являются крайне низкие концентрации Ra (в миллион раз ниже, чем U, в единицах массы). В то же время определяющим фактором можно считать близость химических свойств Ra и биогенного элемента Са. Величины КН радия пропорциональны содержанию доступных для растений подвижных и обменных его форм в почвах. Это хорошо видно из табл. 8.6, где КН радия для районов тундры и тайги существенно выше, чем для черноземных лесостепных районов. В первом случае Ra преимущественно связан в почвах по механизму ионного обмена, а в последнем - прочно фиксирован в слаборастворимых гуматах и сульфатах Са и Ва.
210Рb и 210Ро поступают в растения преимущественно аэральным путем - вместе с атмосферными осадками, аэрозолями и пылью. А.А. Искра и В.Г. Бахуров (1981) считают, что 84% α-активности растений составляет излучение полония. По данным этих авторов, средняя активность 210Ро в наземных растениях варьирует от 10 до 16 000 пКи на 1 кг сырой массы (0,4 - 600 Бк/кг). 210Рb накапливается несколько слабее. Максимальной способностью поглощать эти радионуклиды обладают мхи и лишайники, для которых корневое питание играет незначительную роль. Активность материнского 226Ra в них в 10 раз ниже. Так, активность 210Ро для мхов и лишайников Финляндии и Аляски составляла 200 - 500 Бк на 1 кг сухой массы, а для березы, ивы, клевера - 8 - 12 Бк/кг.
208
