Материал: Курс лекций техноген рад-дов в почве

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

«УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра сельскохозяйственной радиологии

ПОВЕДЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В

СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Лекция для студентов биологических специальностей

Горки 2007

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

«УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра сельскохозяйственной радиологии

ПОВЕДЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В

СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Лекция для студентов биологических специальностей

Горки 2007

УДК 581.1.03:539.16.04 (075.8)

ББК 40.1я7

Л17

Одобрено научно методическим советом академии (протокол №7 от 27.03.2007 г.)

СОДЕРЖАНИЕ

Лазаревич Н.В., Чернуха Г.А.

Л17 Поведение техногенных радионуклидов в системе почва-растение: Лекция.– Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2007. 39 с.

Рассмотрены особенности поведения в почве техногенных радионуклидов, закономерности поступления их в растения и факторы, влияющие на эти процессы.

Для студентов биологических специальностей.

Таблиц 12. Рисунков 1. Библиогр.13

Рецензенты: зав. кафедрой почвоведения, канд. с.-х. наук, доцент В.Б. ВОРОБЬЕВ; доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ГУВПО «Белорусско-Российский университет», канд. техн. наук А.Ф. МИРОНЧИК.

УДК 581.1.03:539.16.04 (075.8)

ББК 40.1я7

Л17

© Лазаревич Н.В., Чернуха Г.А., 2007

© Учреждение образования «Белорусская

государственная сельскохозяйственная академия», 2007

Введение

В результате катастрофы на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглось более 1,8 млн. га сельскохозяйственных угодий, т.е. около 20% их общей площади. Основные массивы загрязненных пахотных земель и луговых угодий сосредоточены в Гомельской (66%) и Могилевской (24%) областях. В настоящее время радиационная обстановка определяется, в основном, двумя техногенными радионуклидами – цезием-137 и стронцием-90, которые являются химическими аналогами калия и кальция соответственно, и поэтому они легко включаются в процессы миграции в биосфере. Зная механизмы поведения радионуклидов в почве, можно регулировать их поступление в растения путем изменения почвенных показателей и подбора культур для возделывания. Это позволит уменьшить поступление радионуклидов не только в растения, но и в организм животных и человека.

1. Миграция техногенных радионуклидов в биосфере и в сфере сельскохозяйственного производства

Пути миграции радиоактивных выбросов в биосфере отли­чаются многообразием и большой сложностью.

Установлено, что техногенные радионуклиды при испытании термоядерного оружия и авариях на атомных электростанциях первоначально попадают в атмосферу, из которой в виде "мокрых" и " сухих" выпадений в составе аэрозолей и частиц поступают на поверхность почвы, водных систем и растительности, где включаются в миграционные процессы (рис. 1).

Основная масса техногенных радионуклидов, попавших в атмосферу со временем концентрируется в почве, из которой они на протяжении длительного времени поступают в растения через корневую систему, неравномерно распределяются по растению и накапливаются во всех органах в различных концентрациях, поэтому вся продукция растениеводства содержит определенное количество радионуклидов и является источником их поступления в организм животных и человека, где поступившие радионуклиды также распределяются и неравномерно накапливаются в органах и тканях. Заключительным звеном миграции радионуклидов является человек, в организм которого радионуклиды поступают на протяжении всей жизни с продуктами питания растительного и животного происхождения.

Среди миграционных цепей наиболее значима цепь: почва–растение – животное. В звеньях этой цепи можно регулировать поступление радионуклидов. Например, в цепи почва–растение это осуществляется внесением минеральных удобрений, а в цепи растение–животное – путем подбора кормов рациона и введения в рацион сорбентов радионуклидов. Пути поступления радионуклидов в организм человека различ­ны. Значительная их доля поступает в организм человека по двум пищевым цепям: почва–растение–человек и почва–растение (корм)–животное (продукция животноводства)–че­ловек.

Рис 1. Схема миграции радионуклидов в биосфере

2. Поведение техногенных радионуклидов в почве

Радионуклиды, попадая в почву включаются в различные процессы, среди которых наибольшее значение имеют сорбция и миграция. Радионуклиды вступают в физико-химические реакции взаимодействия с почвенным поглощающим комплексом (ППК), усваиваются почвенными микроорганизмами, образуют нерастворимые и растворимые в почвенном растворе соли и коллоидные соединения, что сопровождается трансформацией форм их соединений, изменением миграционной подвижности и биологической доступности для корневых систем растений. Поглощение радионуклидов ППК определяется процессами распределения между двумя основными фазами почвы – твердой и жидкой и осуществляется за счет следующих основных взаимообратимых процессов.

1. Сорбция  десорбция. Сорбция – это поглощение радионуклидов твердыми частицами почвы из почвенного раствора. Десорбция – это выделение или переход радионуклидов из частиц в почвенный раствор. Поглощение радионуклидов поверхностным слоем частиц называется адсорбцией.

2. Осаждение  растворение. Осаждение – это образование труднорастворимых и нерастворимых соединений радионуклидов. Растворение – это переход радионуклидов в почвенный раствор из соединений.

3. Коагуляция  пептизация. Коагуляция – это образование крупных коллоидных соединений в дисперсных системах. Пептизация – это распад крупных и сложных соединений на мелкие и простые.

На подвижность радионуклидов в почве оказывают влияние ряд таких факторов, как физико-химическая характеристика радионуклидов, время и формы нахождения радионуклидов в почве, свойства почвы, погодно-климатические условия, тип растительного покрова.

2.1. Влияние физико-химических свойств радионуклидов на поведение их в почве

Среди физико-химических характеристик наибольшее влияние на поведение радионуклидов в почве оказывают свойства радиоактивных выпадений и равномерность распределения их в почве, степень дисперсности и растворимость выпадений, атомная масса и величина заряда иона радионуклида, способность радионуклида образовывать комплексные и нерастворимые соединения, а также способность радионуклидов к изоморфному замещению элементов в кристаллических решетках почвенных минералов.

Распределение радионуклидов между твердой и жидкой фазами зависит от физико-химического состояния и свойств радионуклидов: величины и знака заряда иона, формы соединений, способности к адсорбции, комплексообразованию, гидролизу и др. Ионы элементов (Na⁺, К⁺, Rb⁺, Cs⁺ и др.), имеющие ионные потенциалы (отношение заряда иона к ионному радиусу) Z/r < 1,4 распределяются (мигрируют) в катионной форме в виде истинных растворов. Ионы элементов (Са²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Mn²⁺, Co²⁺,Am³⁺, Np³⁺ и др.) с параметрами 1,4 < Z/r < 3,0 передвигаются также в катионной форме в виде истинных растворов, но при увеличении рН могут образовывать труднорастворимые гидрооксиды и основные соли, а в присутствии ионов карбоната (СО₃^2-) – труднорастворимые карбонаты, поэтому могут находиться также в виде коллоидов и взвесей. Ионы элементов (Y³⁺, Zr⁴⁺, Fе³⁺, Ru⁴⁺, Се⁴⁺, Pu⁴⁺ и др.) с параметрами 3< Z/r<7 обладают высокой чувствительностью к реакции почвенного раствора, образуют труднорастворимые гидрооксиды, более подвижны в щелочной среде и находятся в почве в виде комплексных соединений, коллоидов и взвесей. При значении Z/r>7 элементы находятся в форме анионов в виде истинных растворов.

Необменное поглощение радионуклидов происходит в кристаллических решетках глинистых минералов, при этом необменно фиксируются одновалентные катионы, ионные радиусы которых близки или немного больше радиуса межклеточного пространства кристаллических решеток минералов. Например, ионные радиусы К⁺, NH₄⁺, Rb⁺, Cs⁺составляет соответственно 1,33∙10^-10; 1,43∙10^-10; 1,49∙10^-10 и 1,65∙10^-10 метра. Известно, что чем больше ионный радиус одновалентного катиона, тем прочнее его сорбция в минералах.

По типу поведения в цепи почва-растение радионуклиды классифицируются следующим образом:

1-я группа: Zn²⁺, Cd²⁺, Co²⁺. Тип поведения – необменный. Механизмы закрепления в почве – адсорбция почвенными минералами и образование комплексов с органическими и органо-минеральными лигандами.

2-я группа: Na⁺, Rb⁺, Sr²⁺. Тип поведения – обменный. Механизм закрепления в почве – ионный обмен.

3-я группа: Cs⁺. Тип поведения – обменный в макроконцентрациях и необменный в микроконцентрациях. Механизм закрепления в почве – необменное поглощение.

4-я группа: I⁺, Zr⁴⁺, Се⁴⁺, Fе³⁺, Ru⁴⁺. Тип поведения – многоформный. Механизм закрепления в почве – комплексообразование и коагуляция.

Наряду с приведенной классификацией радионуклиды по подвижности в почве разделяются на 4 группы:

1) очень малоподвижные – Zn²⁺, Cd²⁺, Co²⁺; 2) малоподвижные – Y³⁺, Се⁴⁺, Fе³⁺, Zr⁴⁺, Cs³⁺; 3) подвижные – Rb⁺, Ru⁴⁺, Sr²⁺; 4) сильноподвижные – I⁺.

Радионуклиды, поступившие в почву в водорастворимой форме и в составе тонкодисперсных радиоактивных частиц, активно и быстро включаются в почвенные процессы. При этом одновалентные ионы радиоцезия вступают в ионно-обменные реакции с ионами глинистых частиц почвенно-поглощающего комплекса, где прочно фиксируются, изоморфно замещая калий в кристаллических решетках. Ионы двухвалентного стронция-90 практически не участвуют в таких ионно-обменных реакциях, поэтому стронций-90 не поглощается глинистыми минералами ППК и находится в почве преимущественно в подвижном состоянии.

Из свойств почвы наибольшее влияние на поведение радионуклидов оказывают агрохимические показатели (кислотность почвенного раствора, емкость поглощения и состав обменных катионов, содержание органического вещества), а также минералогический и гранулометрический состав почвы (состав почвенных минералов и размер почвенных частиц).

Определяющую роль при взаимодействии радионуклидов с почвой играет поглотительная способность почвы, т.е. способность почвенных частиц поглощать ионы химических элементов из почвенного раствора и удерживать их в связанном состоянии. Гедройц К.К. выделил 5 видов поглотительной способности почв: 1) механическая поглотительная способность, т.е. механическое поглощение радиоактивных частиц порами и капиллярами почвы; 2) биологическая поглотительная способность, т.е. избирательное поглощение радионуклидов микроорганизмами; 3) физическая поглотительная способность, т.е. поглощение из почвенного раствора поверхностью частиц молекул воды и ионов щелочных элементов; 4) химическая поглотительная способность, т.е. образование в результате химических реакций труднорастворимых и нерастворимых в воде соединений; 5) физико-химическая или обменная поглотительная способность, т.е. способность почвенных коллоидов поглощать катионы из раствора в обмен на эквивалентное количество катионов коллоидов. Почвенные коллоиды бывают минеральные, органические и органоминеральные. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85–90% их общей массы. К ним относятся глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит, галлуазит, гидрослюда, иллит, вермикулит и др.), гидрооксиды железа, алюминия, марганца, кремния и их комплексные соли. Основное свойство коллоидов – способность к поглощению веществ из раствора в виде ионов и молекул. Поглощенные коллоидами ионы и молекулы могут обмениваться на другие ионы и молекулы, находящиеся в почвенном растворе, т.е. коллоиды обеспечивают поглотительную и обменную способность почв. Большая удельная поверхность и наличие двойного слоя ионов на внешней части коллоидов, которые способны к эквивалентному обмену, придают коллоидам высокую реакционную активность. В зависимости от заряда ионов коллоиды разделяются на три группы: 1) отрицательно заряженные (глинистые минералы, гидрооксиды кремния и марганца, гумусовые кислоты, органоминеральные коллоиды); 2) положительно заряженные (гидрооксиды железа и алюминия); 3) амфолитоиды, которые в кислой среде имеют положительный заряд, а в щелочной – отрицательный. Отрицательный заряд коллоидов глинистых минералов возникает в результате изоморфных (неэквивалентных) замещений ионов коллоида на ионы почвенного раствора.

Обменное поглощение оказывает основное влияние на поведение радионуклидов в почве. Процессы обменного поглощения происходят на поверхности частиц. Обменной поглотительной способностью обладает тонкодисперсная фракция или почвенно-поглощающий комплекс. Обменное поглощение радионуклидов подчиняется основным закономерностям ионного обмена. Характер взаимодействия радионуклидов с ППК можно представить схемой обменной реакции:

ППК-М + m  ППК-m + М,

где ППК – почвенно-поглощающий комплекс;

М – ионы элементов ППК;

m – ионы радионуклидов.

Эта реакция обратима, т.е. после поглощения катиона радионуклида почвенно-поглощающим комплексом он может снова вытесняться в почвенный раствор из ППК. Реакция обмена происходит до установления равновесия, которое может смещаться при изменении состава катионов почвенного раствора. Изменение концентрации ионов почвы может существенно влиять на распределение ионов радионуклидов в почве (например, при внесении минеральных удобрений). Однако изменение концентрации радионуклидов практически не влияет на распределение ионов ППК.

Необменное поглощение радионуклидов осуществляется минеральными коллоидами почвы. Наилучшими свойствами к необменному поглощению обладают минералы группы монтмориллонита и группы гидрослюд. Характеристика некоторых минералов по способности поглощать ионы радионуклидов цезия (сорбция) и выделять их в почвенный раствор (десорбция) приведена в таблице 1.

Поведение радионуклидов в цепи почва–растение характеризует коэффициент распределения, который выражается через отношение количества радионуклида, сорбированного 1 г почвы к его содержанию в 1 мл раствора после установления равновесия между раствором и почвой (или между твердой и жидкой фазой почвы).