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

⁹⁰Sr²⁺ абсорбируется растением посредством транспортных систем его макроаналога Са²⁺. Транспорт Са²⁺ осуществляется преимущественно в апопласте путем свободной диффузии, ускоряемой транспирацией, в объеме клеточной стенки, где часть ионов находится в растворе, идентичном внешнему почвенному раствору, а часть связывается фиксированными заряженными центрами в клеточных стенках корневого обменного комплекса [9]. После поглощения ионы благодаря диффузии легко проникают в «свободное пространство» ткани корневых волосков, затем поступают в проводящие ткани корня путѐм активного переноса, далее ионы проникают в проводящие ткани растения, и осуществляется восходящее движение ионов по сосудистой ткани [11].

Радиоактивные изотопы Sr, как аналоги Са, имеют много сходного в поступлении в растение и распределении по разным его органам. Ионы ⁹⁰Sr при поступлении в растение через корни в относительно больших количествах накапливаются в наземных его органах (таблица 1) [11].

Таблица 1.1 - Накопление ⁹⁰Sr в различных органах растений пшеницы [11].

Закономерность распределения изотопа по органам растений заключается в том, что радионуклиды, поступающие в наземную часть растения, в основном концентрируются в соломе (листья и стебли), меньше - в мякине (колосья, метѐлки без зерна) и относительно мало - в зерне. Поглощение радиоизотопов растениями отстаѐт от нарастания наземной массы и накопление радионуклида на единицу массы сухого вещества с ростом растения снижается, но во время созревания - повышается. Поступление в растения радиоизотопов, как правило, увеличивается с повышением их концентрации в растворе. Максимальное поглощение радионуклидов наблюдается при рН близкой к нейтральной [11].

Переход ⁹⁰Sr из почвы в растение зависит от типа почв. Из почв кислых и обедненных кальцием, легкого гранулометрического состава радионуклиды более интенсивно поступают в растения по сравнению с почвами с высоким плодородием и богатых кальцием [9].

Радиоактивные продукты деления, выпадающие из атмосферы на земную поверхность, могут поглощаться листьями сельскохозяйственных растений и накапливаться в них. Радионуклиды могут проникать в растение через поверхность листьев, перемещаться по всему растительному организму и накапливаться в хозяйственно-ценной части урожая [11].

Выпадение радиоактивных аэрозолей на поверхность растений приводит к накоплению в их наземной массе всей совокупности радионуклидов, в то время как при корневом пути поступления радиоактивных веществ в растение почвенный поглощающий комплекс выступает в роли мощного сорбционного фактора, а корневая система растений является селективным барьером, исключающим поступление в надземную фитомассу биологически инертных элементов [11]. Размеры загрязнения поверхности надземных органов растения радионуклидами, выпадающими из атмосферы, сильно варьируют в зависимости от метеорологических и погодных условий. Кроме того, величина адсорбции радионуклидов зависит от времени выпадения нуклидов, поверхности листьев и ряда других факторов [11].

Содержание ⁹⁰Sr в растениях (при поступлении через листья) составляет сотые доли процента. Накопление радионуклидов в урожае при их поступлении через листья различается в зависимости от биологических особенностей растения. Микроколичества 90Sr ведут себя так же, как и его химический аналог Са [11].

Накопление в растениях радионуклидов при поступлении их через листья происходит в течение всего вегетационного периода. В процессе роста и развития растений повышается содержание нуклидов в урожае, максимум достигается в конце вегетации [11].

Накопление радиоактивных продуктов деления в урожае в значительной мере определяется фазой развития растений, во время которой радионуклиды попадают на листья. При попадании нуклидов в растение на ранних сроках его развития происходит большее их накопление. Большое влияние на передвижение радиоактивных продуктов по растению и накопление их в урожае оказывает возраст листьев, из которых в растения поступают нуклиды. Из молодых листьев они более интенсивно передвигаются по растению, и больше их накапливается в ценной части урожая. Для растений с закрытыми семенами (горох, кукуруза) роль механического загрязнения урожая радионуклидами независимо от срока их выпадения (в твѐрдой фазе) на растения не имеет значения. Зерно гороха и кукурузы при выпадении ⁹⁰Sr на бобы и початок будут практически чистыми [11].

Уровень загрязнения растений радиоактивными нуклидами при прямом попадании на поверхность листьев, стеблей и репродуктивных органов определяется количеством свежих радиоактивных выпадений. Поступление же радиоактивных веществ из почвы через корни в растения зависит от общего количества кумулятивного осадка радионуклидов в почве. Поэтому по мере продолжения глобальных выпадений радиоактивных нуклидов их количество в почве повышается, и степень загрязнения урожая увеличивается из-за поглощения радионуклидов растениями через корни из почвы [11].

Радионуклиды могут поступать в растение в результате подъѐма ветром или дождѐм с почвенного покрова самих радиоактивных частиц или загрязнѐнных частиц почвы. Это явление называется радиоактивным вторичным загрязнением растений. Такой путь поступления в растение радионуклида особенно значим для тех из них, которые прочно фиксируются почвой или мало накапливаются при корневом поглощении растениями [11].

Первым этапом при вторичном загрязнении является подъѐм частиц с подстилающей почвы. Этот процесс оценивают с помощью коэффициента ветрового подъѐма: отношение концентрации радионуклида в воздухе на высоте 1 м к плотности загрязнения поверхности почвы:

К = С(Бк/м³ )/S (Бк/м² ) [11].

На подъѐм почвенных частиц влияет много факторов: скорость движения воздуха над поверхностью почвы, турбулентность, температура, давление, влажность и вязкость воздуха, шероховатость, структура, плотность и влажность почвы, содержание в ней органического вещества и т. п. [11].

Во время проведения сельскохозяйственных работ изменяется интенсивность ветрового подъѐма почвенных частиц (вспашка, посев, боронование, культивация и т. п.). Помимо ветрового воздействия, поверхностное некорневое загрязнение растений почвенными частицами происходит также при забрызгивании нижних частей растения в процессе выпадения дождя. В ряде случаев подъѐм почвенных частиц с брызгами дождя даѐт существенное радиоактивное загрязнение листьев. Ливневый дождь может поднять до 225 т/га почвы (до 2,5 мг почвы на 1 г сырой массы растений). При этом до 90 % частиц почвы, поднимаемых каплями дождя, имеет размер [11].

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

На накопление радионуклидов растениями оказывают влияние различные биологические особенности растений, среди которых выделяют эволюционное происхождение растений или филогенез. Растения, имеющие раннее происхождение, накапливают больше радионуклидов, чем растения, возникшие в поздние периоды. По накоплению радионуклидов отделы флоры располагаются в следующем убывающем порядке: лишайники > мхи > папоротники > голосеменные > покрытосеменные.

Различия по накоплению радионуклидов выявлены в пределах классов, семейств и видов. Межвидовые различия могут достигать до 5-100 и более раз. Содержание стронция-90 в расчете на сухое вещество отдельных культур может различаться до 30 раз при одинаковой плотности загрязнения почвы. Сортовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше (до 1,5-3 раз), но их также необходимо учитывать при подборе культур для возделывания в условиях радиоактивного загрязнения.

По накоплению радионуклидов в товарной части культуры располагаются в следующем убывающем порядке: корнеплоды, бобовые, картофель, крупяные, зерновые и овощные культуры.

По накоплению стронция-90 выделяют сильнонакапливающие культуры (бобовые), средненакапливающие культуры (крупяные) и слабонакапливающие культуры (зерновые).

Бобовые культуры накапливают радионуклиды в 2-10 раз больше, чем зерновые. Установлено, что озимые зерновые культуры и раннеспелые яровые культуры накапливают меньше радионуклидов, потому что они формируют высокую урожайность растительной массы, на которую распределяются поступившие в растение радионуклиды, т.е. происходит биологическое разбавление радионуклидов.

Накопление радионуклидов зависит от типа минерального питания, т.е. от потребности культур в калии, кальции и других элементах питания. Калиелюбивые культуры (свекла, картофель, овес, капуста) накапливают больше цезия, а кальциелюбивые культуры (люпин, люцерна, клевер, горох) накапливают больше стронция.

Значительное влияние на накопление радионуклидов оказывает онтогенез или фаза развития растений. Максимальное накопление наблюдается в ранних фазах развития, когда происходит интенсивный рост, сопровождающийся активным всасыванием питательных веществ, радионуклидов и переносом их в наземные органы. Например, у зерновых культур максимальное накопление в наземной массе происходит в фазе кущения и в фазе выход в трубку. В фазах молочной и восковой спелости происходит отток питательных веществ и радионуклидов из листьев в зерно, где содержание цезия может возрастать до 4-х раз.

Накопление радионуклидов зависит от места расположения, типа и мощности корневой системы. Растения с мочковатой и корневищной корневой системой, расположенной в верхних слоях почвы, накапливают больше радионуклидов, чем растения со стержневой системой, которая проникает в более глубокие и «чистые» почвенные горизонты.

Различия в коэффициентах накопления радионуклидов различными видами, а также сортами сельскохозяйственных культур следует учитывать при планировании севооборотов с целью получения растениеводческой продукции с наименьшим уровнем радиоактивного загрязнения [7].

В условиях радиоактивного загрязнения были изучены параметры накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr продукцией 42 сортов озимых и яровых форм зерновых культур [7].

Убывающий по накоплению Sr-90 ряд культур существенно отличается от такового по Cs-137. По величине накопления Sr-90 в зерне первое место занимает яровой рапс, далее следуют в порядке убывания: люпин > гopox > вика > ячмень > яровая пшеница > овес > озимая пшеница и озимая рожь [7].

Наибольшее количество Sr-90 переходит в солому ячменя, затем следует солома яровой и озимой пшеницы, овса, озимой ржи. По накоплению Sr-90 в зеленой массе культуры располагаются в следующем по убыванию порядке: клевер > люпин > горох > многолетние злаковые травы на пойменных землях > многолетние злаково-бобовые смеси > вика > рапс яровой > горохо-овсяные и вико-овсяные смеси > травы естественных сенокосов > травы на осушенных землях > травы на пахотных землях > кукуруза [7].

Таблица 1.2 - Средняя величина коэффициента накопления* стронция - 90 для основных сельскохозяйственных культур (Г.В.Клековкин, 2004) [7].

Примечание - *Коэффициент накопления для овощей приведен на сырую массу; для зерна и сена - при стандартной влажности.

Выявлены различия в накоплении радионуклидов, связанные с сортовыми особенностями культур. Сорта интенсивного типа, потребляющие значительные количества питательных веществ, обычно характеризуются и повышенным накоплением радионуклидов. Например, повышенным накоплением радионуклидов отличаются сорта ячменя Селянин, Верас [7]. Наблюдаются существенные различия по данному показателю и в зависимости от сортовых особенностей. Сортовые различия по накоплению стронция могут достигать у озимой ржи, озимого тритикале, ячменя до 50-55 % [6].

Поэтому при внедрении того или иного сорта необходимо учитывать не только размеры накопления, но и радионуклидный состав загрязнения продукции. Подбор сортов с минимальным накоплением радионуклидов является экономически выгодным и эффективным способом обеспечения производства продукции в пределах нормативных требований [7].

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

Агрохимические мероприятия направлены на получение продукции растениеводства, отвечающей радиологическим стандартам.

Агрохимические мероприятия предусматривают:

·   известкование кислых почв;

·   внесение повышенных доз калийных удобрений;

·   внесение органических удобрений;

·   внесение повышенных доз фосфорно-калийных удобрений;

·   использование природных минеральных сорбентов (различные виды глинистых минералов);

·   комплексное применение различных видов минеральных и органических удобрений.

Среди почвенных характеристик наибольшее влияние оказывают гранулометрический и минералогический состав, агрохимические показатели почвы и режим увлажнения почвы.

Гранулометрический состав влияет на сорбцию радионуклидов, которая зависит от степени дисперсности частиц. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее сорбция радионуклидов и тем меньше коэффициенты накопления радионуклидов растениями. На почвах тяжелого гранулометрического состава с высоким содержанием глин радионуклиды накапливаются в растениях в меньших количествах, чем на почвах легкого состава. Основное влияние на накопление радионуклидов оказывает илистая фракция, в состав которой входят глинистые минералы группы монтмориллонита, гидрослюд и слюд. В зависимости от типа почвы при одинаковой плотности загрязнения их Sr-90 коэффициенты пропорциональности для него могут различаться до 2-х и более раз. Например, Кн стронция-90 для картофеля на дерново-подзолистой песчаной почве составляет 0,33, а на дерново-подзолистой суглинистой - 0,17.

На Полесье преобладают супесчаные легкие дерново-подзолистые и торфяно-болотные почвы. Коэффициенты перехода Sr-90 в растения здесь в 4-5 раз выше, чем в других районах Беларуси, потому что при дефиците глинистых минералов Sr-90 находится в этих почвах в водорастворимой и обменной форме. Накопление радионуклидов на торфяно-болотных почвах зависит от окультуренности почвы, минерализации и состава золы почвы, толщины торфяного слоя, ботанического состава торфообразующих растений, кислотности почвенного раствора и наличия обменных катионов, влажности почвы, глубины залегания и минерализации грунтовых вод.

Изучены закономерности накопления радионуклидов на торфяно-болотных почвах Брагинского и Хойникского массивов. Более высокая зольность почв, повышенное содержание карбонатов, минералов илистой фракции, а также более низкая влажность почвы Брагинского массива способствуют меньшему накоплению радионуклидов в растениях, чем на почвах Хойникского массива. С увеличением мощности торфяного слоя возрастает поступление стронция в растительность, т.к. снижается зольность почвы. Особенности накопления радионуклидов растениями на разных типах почвы следует учитывать при производстве сельскохозяйственной продукции.

При одинаковом уровне радиоактивного загрязнения на различных почвах поступление радионуклидов в растения и накопление их в урожае будут неодинаковыми. Исследования показали, что на плодородных почвах, отличающихся высокой сорбционной емкостью, наблюдается пониженное поступление радионуклидов в растения и накопление их в продуктах питания (таблица 1.3).