Курсовая работа (т): Изучение накопления стронция-90 в зерне и соломе зерновых культур

Изучение накопления стронция-90 в зерне и соломе зерновых культур

РЕФЕРАТ

Курсовая работа.

Ключевые слова: радионуклиды стронция-90, ⁹⁰Sr, радиоактивное загрязнение, коэффициент накопления, накопление ⁹⁰Sr зерновыми культурами, пшеница, овес.

Объект исследования: зерно и солома пшеницы и овса, выращенные на 10 почвах дерново-подзолистой зоны.

Предмет исследования: Влияние биологических особенностей зерновых культур на накопление ⁹⁰Sr в растениях, выращенных на различных видах почв.

Методы исследования: Методика определения стронция-90 в объектах внешней среды (почва, вода, молоко) на основе селективного сорбента. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах окружающей среды. Определение стронция-90 Цель курсовой работы: изучение накопления стронция-90 (⁹⁰Sr) в зерне и соломе зерновых культур.

Задачи курсовой работы:

1.      Определить основные показатели (рН, содержание гумуса и способность удерживать внесенный стронций) в 10 разновидностях дерново-подзолистых почв

.        Определить содержание стронция-90 в соломе и зерне пшеницы и овса, выращенных на 10 подготовленных участках почв

Заключение:

1.      При проведении исследований 10 видов почв дерново-подзолистой зоны, было установлено, что прочность закрепления стронция в почве варьирует от 53,1 до 94,8% от количества внесенного. Наименьшее значение определено в образце почвы с наименьшим по всем образцам значением кислотности (рН 4,1). В целом, значения рН варьируют от 4,1 до 7,0, содержание гумуса преобладает на суглинистых почвах.

.        Было выявлено, что в соломе пшеницы и овса накапливается значительно большее количество радиоактивного стронция, чем в зерне. Это обусловлено биологическими особенностями растений.

.        Также установлено, что в образцах почв с минимальным значением рН накопление радиоактивного стронция значительно выше, чем на почвах со слабощелочной реакцией. Известно, что из кислых почв поступление радионуклидов в растения значительно выше. На кислых почвах снижается прочность закрепления радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Количественные характеристики и механизм поступления ⁹⁰Sr в растения и распределение его по растению

1.2 Влияние биологических особенностей зерновых культур на накопление ⁹⁰Sr в растениях

.3 Влияние кислотности почвы и других ее агрохимических показателей на поступление ⁹⁰Sr в растения

2. Экспериментальная часть. Изучение накопления ⁹⁰Sr в зерне и соломе зерновых культур

2.1 Цель, задачи, материал и методика исследований

2.2 Анализ результатов исследований

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Чернобыльская катастрофа оказала негативное воздействие на все сферы жизнедеятельности человека, но в наибольшей степени пострадал агропромышленный комплекс. Это обусловлено тем, что авария затронула регионы с высокоинтенсивным сельскохозяйственным производством, а основные загрязненные территории - земли сельскохозяйственного назначения. Потребление сельскохозяйственной продукции один из ведущих источников дополнительного облучения населения. Основной контингент пострадавшего населения - жители сельской местности и дозы внешнего и внутреннего облучения сельских жителей на территории радиоактивного загрязнения в 1,3-4,0 раза выше, чем городского населения [8].

На законодательном уровне загрязненными считаются территории с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs 37кБк/м² и выше (1,0 Ки/км² и выше), загрязнения ⁹⁰Sr - 5,55 кБк/м² и выше (0,15 Ки/км² и выше) [8].

Загрязнение земель ⁹⁰Sr носит более локальный, по сравнению с ¹³⁷Cs, характер. В сельскохозяйственном пользовании находится 339,7 тыс. га земель, загрязненных ⁹⁰Sr с плотностью 5,55 кБк/м² и выше, что составляет 4,4 % от общей площади землепользования. В республике, прежде всего в Гомельской области, имеются значительные массивы земель (144,3 тыс. га), загрязненных ⁹⁰Sr с плотностью от 11,47 до 111,00 кБк/м² (0,31-3,00 Ки/км²), где наблюдаются превышения допустимых уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции, в первую очередь зерна на продовольственные цели [8].

Это привело к необходимости ведения агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения, а также широкого применения защитных мероприятий во всех отраслях сельского хозяйства в течение длительного периода времени [10]. Принимаемые меры позволили в несколько раз снизить объемы производства продукции со сверхнормативным содержанием радионуклидов по сравнению с первым послеаварийным периодом [10]. Сегодня сельскохозяйственное производство на загрязненных радионуклидами землях, а это 1 млн гектаров, ведется согласно научным рекомендациям. Каждые 5 лет уточняются и дополняются «Рекомендации по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь» [10].

В 2012 году в рамках Государственной программы по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на 2011-2015 годы и на период до 2020 года издан ряд рекомендаций, разработанных РНИУП «Институт радиологии», его филиалами, РУП «Институт почвоведения и агрохимии» НАН Беларуси и предназначенных как для специалистов сельского хозяйства, так и для преподавателей и студентов учебных заведений [10].

Известкование кислых почв, внесенных повышенных доз минеральных и органических удобрений, подбор культур и сортов являются наиболее эффективными в комплексе защитных мер. Они, обеспечивая уменьшение перехода радионуклидов из почвы в растения, одновременно направлены на повышение урожайности культур и плодородия почв [6].

стронций зерновой солома почва

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

.1 Количественные характеристики и механизм поступления ⁹⁰Sr в растения и распределение его по растению

Способность почв и грунтов сорбировать микроколичества различных радионуклидов оказывает большое влияние на характер миграции радиоактивных выпадений в биологическом круговороте веществ. Сорбция радиоизотопов почвами препятствует их продвижению по профилю почвы, проникновению в грунтовые воды и обусловливает аккумуляцию их в верхних горизонтах почвы. На обрабатываемых почвах радионуклиды задерживаются в основном в пахотном слое, а на естественных лугах, пастбищах, целинных участках земли - обычно в самом верхнем слое почвы (0-5 см) [9].

С точки зрения миграции попавших в почву радионуклидов и их вовлечения в биологический круговорот веществ, процесс поглощения их почвами имеет двоякое значение. Во-первых, сорбция почвами, как правило, снижает размеры поступления радионуклидов в растение. Во-вторых, аккумуляция сорбированных изотопов в верхнем слое почвы, где наиболее распространены корни растений, способствует их поглощению растениями, то есть - большему накоплению в урожае (чем при свободном передвижении изотопов в более глубокие слои почвы или в подпочву) [9].

Различные изотопы по-разному сорбируются почвами, но это часто не оказывает существенного влияния на поступление их в надземную часть растения. Вот почему сорбция почвами оказывает большое влияние на переход этих нуклидов из почвы в растение и накопление их в урожае [9].

Стронций (Sr) - элемент 2 группы периодической системы. Природный стронций относится к микроэлементам и состоит из смеси четырех стабильных изотопов ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,96 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,0 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция и в геохимических процессах его спутником. Кларковое содержание в земной коре оценено как 340 · 10⁻⁴ %. Стронций содержится во всех растительных и животных организмах в количестве 10⁻² - 10⁻³ % сухой массы [2].

Поступление радиоактивных продуктов деления в растение и накопление их в урожае обусловливается: физико-химическими свойствами радиоактивных изотопов, биологическими особенностями самих растений,-условиями выращивания и другими факторами [11].

Радиоактивные продукты деления поступают в растение в основном двумя путями:

) непосредственное загрязнение наземных частей растений, находящимися в воздухе радиоактивными частицами; при этом радионуклиды могут адсорбироваться поверхностью тканей и проникнуть внутрь растения;

) радионуклиды, попадающие в почву, могут поступать в растение через корни [11].

Непосредственное загрязнение наземных частей растения обусловлено только теми радионуклидами, которые выпадают из атмосферы на растения в течение вегетационного периода, тогда как поступление через корни зависит от количества радионуклидов в почве [11].

К свойствам радионуклидов, определяющим их распределение между твердой и жидкой фазами почвы, относятся заряд иона и его знак, радиус гидратированного иона, энергия гидратации иона, форма соединений, а также способность к комплексообразованию и гидролизу. Согласно данным В.А. Ковды, ионы элементов, имеющие ионные потенциалы (отношение заряда иона к ионному радиусу) Z/r < 1,4, характеризуются свойствами сильных оснований и мигрируют в катионной форме в виде истинных растворов (Na⁺, К, Rb⁺, Cs⁺, Ra²⁺ и др.). Ионы элементов с параметрами 1,4 < Z/r < 3 (Li⁺, Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺ и др.) находятся в почве главным образом в катионной форме и в виде истинных растворов, но при увеличении pH могут образовывать труднорастворимые гидроксиды и основные соли, а в присутствии карбонат-ионов - труднорастворимые карбонаты. В этом случае возможна миграция в виде коллоидов и взвесей [9].

Согласно классификации радионуклидов по типу поведения в системе почва-растение по H. В. Тимофееву-Ресовскому с соавторами, Sr²⁺ имеет следующие характеристики:

тип поведения - обменный;

основной механизм закрепления в почве - ионный обмен;

наиболее важный фактор миграции - присутствие в растворе других катионов [9].

Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют различные показатели. Наиболее часто используются коэффициенты перехода (Кп), а также коэффициенты накопления или коэффициенты концентрации (Кн) [1].

Коэффициент перехода - это отношение содержания радионуклида в растительной массе к поверхностной активности почвы, коэффициент накопления - отношение содержания радионуклида в растительной массе к содержанию радионуклида в почве.

Коэффициент накопления различными культурами Sr-90 изменяется от 0,02 до 12, Сs-137 - от 0,02 до 1,1 [1].

Иногда используют коэффициент биологического поглощения, который показывает отношение концентрации радионуклида в золе растений к концентрации радионуклида в почве. Скорость миграции радионуклидов в цепи почва-растение зависит от содержания их изотопных и неизотопных носителей. Концентрация неизотопных носителей в почве значительно выше, чем изотопных. Для оценки переноса радиоактивного элемента относительно его стабильного носителя в радиоэкологических цепях используют коэффициент дискриминации, который показывает изменение соотношения радионуклида и его химического аналога при миграции по биологическим цепям, который определяется по формуле:

где С - концентрация цезия-137 или калия в почве и растении.

Подвижность и биологическая доступность радионуклидов в значительной степени обусловлены состоянием и формами нахождения их в почве. Радионуклид в почве может присутствовать в составе как жидкой, так и твердой фазы. В растворе радионуклид может находиться в виде катиона, входить в состав комплексных соединений и коллоидных частиц. В твердой фазе радионуклид находится в обменносорбированном состоянии, т.е. в адсорбционно-десорбционном равновесии с жидкой фазой; может входить в состав нерастворимых соединений или выпавших нерастворимых частиц (например, топливных) или необратимо сорбируется [9].

Закрепление и распределение ⁹⁰Sr в почве в основном определяются закономерностями поведения изотопного носителя - стабильного стронция, а также химического аналога неизотопного носителя - стабильного кальция (Са²⁺) [9].

При рассмотрении ионов ⁹⁰Sr можно выделить три группы:

- ионы, находящиеся в почвенном растворе;

- обменные ионы на поверхности минеральных и органических частиц;

- ионы, входящие в состав практически нерастворимых соединений [9].

Большая часть ⁹⁰Sr (60-90%) находится в почве в обменной форме.

Если при сорбции ¹³⁷Cs решающую роль играет изоморфное замещение в кристаллической решетке глинистых минералов, то для ⁹⁰Sr существенное значение имеет изоморфное замещение в минералах, содержащих кальций и магний - кальцит и известняк (СаС0₃), гипс (CaS0₄*2Н₂0), доломит (CaMg(C0₃)₂) [9].

Поскольку преобладающим механизмом поглощения ⁹⁰Sr твердой фазой почв является ионный обмен, аналогично адсорбции стабильного Sr и Са, то сорбция ⁹⁰Sr твердой фазой почв зависит от присутствия макроконцентраций катионов в растворе. Установлен следующий ряд влияния конкурирующих катионов на сорбцию ⁹⁰Sr твердой фазой почв:

А1³⁺ > Fe³⁺ > Ва²⁺ > Са²⁺ > Mg²⁺ > К⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ [9].

На состояние и закрепление ⁹⁰Sr в почвенном поглощающем комплексе большое влияние оказывает состав минеральной части почв. ⁹⁰Sr более прочно закрепляется в почвах с высоким содержанием илистых частиц. Глинистыми минералами почв может быть сорбировано до 99% этого радионуклида. Предпочтительнее ⁹⁰Sr сорбируется такими минералами, как асканит, бентонит, вермикулит, флогопит и гумбрин, в значительно меньшей степени - гидромусковитом и гидрогетитом. Минералы группы монтмориллонита поглощают 92,0-99,9% ⁹⁰Sr, минералы каолинитовой группы - 40-68%, слюды - 71-87%, гидрослюды - 80-88%. Минералы группы кальцита, полевых шпатов, кварца и гипса поглощают 10-50% ⁹⁰Sr [9]. На поведение ⁹⁰Sr оказывает влияние органическое вещество почвы. Распределение и подвижность ⁹⁰Sr в почвах в значительной степени определяется количеством и качественным составом гумуса. Радионуклид присутствует в почвах в основном не в виде индивидуальных соединений с органическими веществами неспецифической природы и собственно гумусовыми кислотами, а в форме сложных комплексов, в состав которых входят также Са, Fe и А1 [9].

Механизмы адсорбции микроконцентраций ⁹⁰Sr по сравнению с ¹³⁷Cs различны. Радиоактивный стронций характеризуется простым и почти полным обменом на поверхностных обменных местах глинистых частиц. Выход радионуклида в почвенный раствор увеличивается и при возрастании выхода Са, так как Sr и Са находятся в растворе в определенном соотношении. Однако распределение ⁹⁰Sr между почвенным раствором и поглощающим комплексом отличается от аналогичного распределения для Са. Отношение ⁹⁰Sr/Ca в почвенном растворе колеблется от 0,49 до 0,78 от соотношения этих ионов в почве, что связано с более прочной сорбцией ⁹⁰Sr по сравнению с Са [9].

Переход радионуклидов из почвы в растения является результатом действия не только почвенно-химического процесса, но и биологического (физиологического), связанного с поглощением радионуклидов, в частности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, корневой системой растений из почвенного раствора [9].

Поглощение радионуклида растением первоначально происходит в результате транспорта ионов путем свободной диффузии в объеме клеточной стенки коры корня. Объем клеточной стенки, расположенный кнаружи от плазмаллемы определяется как кажущееся свободное пространство. Единая система клеточных стенок (целлюлозных оболочек) образует апопласт, который распространяется внутрь от слоя клеток, образующих корневые волоски [9].

Катионообменные свойства корня связаны с апопластом. Для заряженных частиц кажущееся свободное пространство включает две составляющие, поскольку часть ионов свободно находится в растворе, а часть связывается фиксированными заряженными центрами в клеточной стенке. Согласно этому различают водное свободное пространство и доннановское свободное пространство. Состав водного свободного пространства идентичен внешнему почвенному раствору. Доннановское свободное пространство образовано посредством связи между собой кристаллических структур веществ целлюлозы, в матрикс которой включены пектиновые вещества, гемицеллюлозы, белки, неорганические катионы и другие соединения. Оно представляет собой совокупность заряженных центров, расположенных в стенке растительной клетки и на внешней стороне плазмаллемы, которое можно определить как корневой обменный комплекс, характеризуемый емкостью катионного и анионного обмена. Между водным свободным пространством (почвенным раствором) и доннановским свободным пространством (корневым обменным комплексом) путем адсорбции и обмена ионов устанавливается динамическое равновесие. Доннановский электропотенциал на границе водной среды и катионообменника обуславливает избирательность поглощения веществ, несущих заряд. Корневой обменный комплекс более активно связывает катионы (особенно двух- и трехвалентные) по сравнению с анионами [9].