В настоящей работе рассмотрены два тесно взаимосвязанных друг с другом аспекта континентальной радиоэкологии: биогеохимический и радиобиологический.
Первый включает работы по изучению миграции и распределения радиоактивных изотопов в биогеоценотических звеньях почва — раствор, почва — растение и вода — гидробионты, а второй — объединяет исследования по биологическому действию радиоизотопов в наземных и пресноводных биогеоценозах.
Опыты, проведенные в системе почва — раствор, показали, что скорость и полнота поглощения (сорбции) микроколичеств железа-59, кобальта-60, стронция-90, иттрия-91, цезия-137 и церия-144 в почве из водного раствора определяются при прочих равных условиях химической природой элементов и не зависят от свойств почв. Это обусловлено, тем, что емкость поглощения изучавшихся почв достаточно велика для фиксации сорбционно-способных форм радиоизотопов, находящихся в растворе. Изменение pH раствора от 3 до 10 не влияет на поглощение радиоизотопов кобальта, стронция, иттрия и цезия почвой, тогда как поглощение железа-59 и церия-144 с повышением pH заметно снижается. Последнее объясняется тем, что в щелочной среде железо и церий переходят в коллоидные формы, плохо сорбируемые почвой. Полнота поглощения железа и церия зависит также от их концентрации в растворе.
Установлено, что сорбция радиоизотопов кобальта, иттрия и церия почвой зависит от содержания в растворе стабильных изотопов железа и алюминия: она снижается тем резче, чем выше концентрация этих элементов в исходном растворе. Механизм отмеченного явления можно связать с процессами соосаждения и адсорбции радиоизотопов с коллоидной гидроокисью железа и алюминия.
Опыты с искусственными комплексонами показали, что в закомплексованной форме радиоизотопы слабо, поглощаются почвой, а эффективность комплексонов по отношению к разным радиоизотопам находится в прямой зависимости от прочности внутрикомплексных соединений, характеризующихся константами устойчивости.
Водные экстракты из растительного опада повышают подвижность в почве всех изучавшихся радиоизотопов, за исключением цезия-137. Действие растительных экстрактов, с одной стороны, обусловлено наличием в них органических веществ, способных переводить некоторые химические элементы в устойчивые растворимые в воде комплексные соединения, а с другой — повышенной концентрацией в них других катионов, способных частично вытеснять радиоизотопы из почвы в раствор.
Наиболее прочно во всех исследованных почвах фиксируется железо-59 и цезий-137; остальные радиоизотопы по прочности их закрепления в почвах изменяются в ряду: иттрий-91 > церий-144 > кобальт-60 > стронций-90. Почвы по прочности фиксации в них радиоизотопов можно расположить в ряд: дерново-луговая > чернозем > краснозем > дерново-подзолистая. Поскольку эти почвы примерно в той же последовательности отличаются друг от друга по содержанию в них гумуса и илистой фракции, высказано предположение, что органическое вещество и мелкодисперсные илистые частицы способны снижать подвижность радиоизотопов в почве. Специальные опыты с лишенными органического вещества почвами показали, что прочность фиксации в них радиоизотопов значительно ниже, чем в нативных почвах.
Среди различных катионов, применявшихся в опытах в качестве десорбентов, для некоторых радиоизотопов выделены «специфические вытеснители». Для железа-59 таким вытеснителем является алюминий, для иттрия — медь и железо, для церия — железо. По отношению к кобальту-60 и стронцию-90 десорбирующее действие катионов увеличивается в соответствии с увеличением их атомного веса/и валентности. Последнее свидетельствует о наличии ионно-обменного механизма поглощения этих радиоизотопов в почве.
Сильное десорбирующее действие «специфических вытеснителей» объясняется тем, что в почве они вступают преимущественно в такие же соединения, что и вытесняемые ими радиоизотопы. Следовательно, катионы — «специфические вытеснители» можно рассматривать в почве в качестве неизотопных носителей соответствующих радиоизотопов.
С повышением обводненности почвы общее содержание всех радиоизотопов в жидкой фазе увеличивается при крайних значениях коэффициентов обводненности различия в содержании растворения форм кобальта-60 достигают, примерно, одного порядка величин, церия-144 и цезия-137 соответственно двух и трех порядков, а содержание растворенного стронция-90 увеличивается лишь в 3—4 раза. В результате, если судить о степени подвижности разных радиоизотопов в почве по их общему содержанию в жидкой фазе, во влажной почве подвижность стронция-90 превышает таковую остальных радиоизотопов в десятки и сотни раз. При переходе же к почвенным суспензиям эти различия существенно сглаживаются.
Данные вегетационных опытов в общем достаточно хорошо согласуются с основными результатами, полученными при изучении подвижности радиоизотопов в системе почва — раствор. Так, большей подвижности в системе почва — раствор железа-59 (обусловленной наличием в растворе плохо сорбируемых форм железа) и стронция-90 (обусловленной относительно слабой фиксацией его в почве) соответствует большая подвижность этих радиоизотопов в системе почва — растение. Это соответствие проявляется в большем по сравнению с другими радиоизотопами поступлении железа-59 и стронция-90 в растения. Такое соответствие данных лабораторных и вегетационных опытов дает основание считать, что поступление радиоизотопов в растения в значительной мере зависит от степени их подвижности в системе почва — раствор. Последняя же в свою очередь определяется химической природой радиоизотопов, формой, в некоторой они находятся в почвенном растворе, а также физикохимическими свойствами почвы. Поступление радиоизотопов в растения частично зависит и от биологических особенностей растений.
Почвы с высоким содержанием гумуса и илистой фракции прочнее фиксируют радиоизотопы, вследствие чего из тяжелых по механическому составу почв с высоким содержанием гумуса поступление радиоизотопов в растения снижается. С повышением увлажненности почвы от уровня влажности завядания до полной влагоемкости общий вынос радиоизотопов растениями увеличивается. Однако это увеличение обусловлено лишь возрастанием биомассы растений на более увлажненной почве, а не изменением концентрации изотопов в растениях, которая остается практически постоянной при всех изучавшихся режимах увлажнения.
Установлено значительное увеличение поступления железа-59, кобальта-60 и иттрия-91 в растения при внесении этих радиоизотопов в почву в форме внутрикомплексных соединений с искусственным комплексоном — ЭДТА. В этом случае также отмечено хорошее соответствие между результатами лабораторных и вегетационных опытов. В лабораторных опытах комплексон, снижая сорбцию радиоизотопов в почве, увеличивает их подвижность в системе почва — раствор; а в вегетационных опытах этот механизм приводит к увеличению поступления радиоизотопов в растения. На подвижность радиоизотопов стронция, цезия и. церия ЭДТА не оказывает заметного влияния, поскольку комплексные соединения этих элементов в почве недостаточно устойчивы к процессам химического и биологического разрушения.
С увеличением избыточных концентраций комплексона в среде (почва, питательный раствор), отмечено снижение накопления кобальта растениями. Предполагается, что это явление связано с образованием при избытке комплексона в среде его соединений с другими катионами, которые вступают с комплексом Со-ЭДТА в конкурентные взаимоотношения при поглощении их растениями. Отмеченную особенность следует учитывать, в частности, при использовании комплексных соединений в качестве микроудобрений, т. к. избыток комплексона по отношению к микроэлементу в исходном препарате может существенно снизить эффективность микроудобрения.
Следует подчеркнуть, что результаты серии исследований, проведенных на участках естественных биогеоценозов в целом тоже достаточно хорошо согласуется с результатами лабораторных и вегетационных опытов. Железо-59 и церий-144, будучи более подвижными в системе почва — раствор, в природных условиях оказались также более миграционноспособными, чем остальные радиоизотопы. Как ранее отмечалось, в основе повышенной Миграции железа и церия в почве лежит способность этих элементов переходить в области присущих для многих почв значений pH в коллоидные формы, которые плохо сорбируются почвой.
Стронций-90 в природных условиях оказался менее подвижным в почве, чем это следовало ожидать по данным лабораторных и вегетационных опытов. Одной из причин такого снижения подвижности стронция-90 может быть переход его со временем в необменное состояние в результате изоморфного замещения кальция в почвенных минералах, что не улавливается исследователями в краткосрочных лабораторных экспериментах. Этому же могут способствовать сезонные колебания увлажненности природных почв, приводящие, по-видимому, к выравниванию параметров миграции разных радиоизотопов с почвенным раствором. Однако в условиях избыточного увлажнения и своеобразной растительности Крайнего Севера стронций-90 характеризуется повышенной миграционной способностью по сравнению с цезием-137, что приводит к обогащению этим излучателем аккумулятивных участков тундрового ландшафта.
Исследования поведения радиоизотопов в системе вода — гидробионты подтвердили, что миграционная способность радиоизотопов в этой системе (так же, как в системе почва-растение) определяется их химической природой, биологическими особенностями организмов и физико-химическими свойствами среды.
Из водной среды радиоактивные изотопы накапливаются растениями с более высокими коэффициентами накопления, чем из почвы, поскольку, почва, являясь сильным природным сорбентом, прочно удерживает в себе микроколичества химических элементов. Так, например, коэффициенты накопления большинства изучавшихся радиоизотопов у пресноводных растений достигают порядка десятка тысяч, тогда как у наземных растений они обычно меньше единицы. Следовательно, почва выполняет мощную барьерную функцию на пути миграции радиоактивных изотопов в биогеоценозах.
На примере стронция-90 и цезия-137, показано, что значения коэффициентов накопления, установленные для гидробионтов экспериментально в лабораторных условиях, в ряде случаев могут быть заниженными по сравнению с коэффициентами накопления в естественном водоеме. Это объясняется тем, что в упрощенной лабораторной модели невозможно воспроизвести весь комплекс условий, складывающийся в естественном водоеме. Кроме того, при длительном взаимодействии растений с загрязненной радиоактивными изотопами водой часть поглощенных радиоизотопов со временем переходит в тканях растений в необменную и слабообменную формы, что приводит к постепенному возрастанию коэффициентов накопления. Поскольку этот процесс протекает относительно медленно, в краткосрочных лабораторных экспериментах он, как правило, не улавливается.
Анализ литературных данных и результатов исследований, проведенных в нашей лаборатории, дает основание утверждать, что в области микроконцентраций, при равных прочих условиях, концентрация химических элементов (радиоизотопов) в гидробионтах прямопропорциональна их концентрации в воде и, следовательно, коэффициенты накопления остаются постоянными. В области макроконцентраций элементов в воде коэффициенты накопления снижаются; они снижаются также при увеличении концентрации в воде неизотопных носителей соответствующих радиоизотопов, т. е. стабильных элементов с близкими химическими свойствами.
Отмечена дискриминация стронция-90 относительно его химического аналога — кальция, а цезия-137 относительно калия в процессе накопления этих элементов гидробионтами. Величина коэффициента дискриминации зависит от биологических особенностей гидробионтов и в широких пределах не зависит от концентрации макрокомпонента в воде.
Выделение химических элементов из организма рыб во время нереста с икрой рассматривается как один из своеобразных путей биологической миграции этих элементов в водоеме и способ самоочищения организма рыб от инкорпорированных излучателей. Установлено, что цезий-137 и калий выделяются из организма пресноводных рыб (линь, щука) в относительно большем количестве, чем стронций-90, кальций и магний.
Накопление радиоизотопов гидробионтами зависит от экологической характеристики водоема. Показано, что коэффициенты накопления стронция-90 и цезия-137 у растений, произрастающих в водоеме дистрофного типа заметно выше, чем в олиго-мезотрофном водоеме. Одной из главных причин увеличения коэффициентов накопления радиоизотопов в дистрофном озере является пониженное (в силу его перенаселенности гидробионтами) содержание в воде макроэлементов — кальция, магния, калия и натрия.
Будучи химическим аналогом кальция», стронций-90 включается в те же звенья биогеохимической миграции, что и кальций. В частности, вместе с кальцием он включается в процессы карбонатообразования, переходя таким образом из растворенного в воде состояния в труднорастворимый осадок, откладывающийся на дне водоемов. Проведенными исследованиями установлено, что стронций-90 соосаждается с карбонатами кальция с коэффициентом дискриминации около 0,3. Величина этого коэффициента не зависит ни от биологических особенностей растений — карбонатообразователей, ни от концентрации кальция в воде. Предполагается, что процесс карбонатообразования, являясь в конечном итоге результатом жизнедеятельности растений, протекает вне растительного организма, а именно, в зоне контакта поверхности растения с водным раствором; образование же карбонатного осадка идет за счет поглощения углекислоты, растениями из бикарбонатов.
В работе показано, что наряду с живыми растениями большую роль в судьбе радиоизотопов в водоеме играют отмирающие растения и детрит. Коэффициенты накопления стронция-90 и цезия-137 у мертвых остатков оказались одного порядка величин, а рутения-106 и церия-144 в несколько раз выше, чем у живых растений. Кроме того, рутений и церий в органическом веществе мертвых растений фиксируется прочнее, чем в тканях живых растений. Из всех изучавшихся радиоизотопов только цезий-137 прочнее фиксируется в живых тканях по сравнению с мертвыми органическими остатками. Благодаря прочной фиксации в отмирающей массе растений радиоизотопы рутения и церия вместе с детритом должны переходит из воды в донные отложения водоема, а стронций-90 и-цезий-137, связывающиеся менее прочно, могут легко выделяться обратно в воду и вновь включаться в биологические звенья миграции.
Необходимо подчеркнуть, что принятый нами в настоящем исследовании методологический подход сравнительного изучения миграционной способности радиоизотопов в важнейших биогеоценотических звеньях почва — растение и вода — гидробионты путем экспериментального расчленения этих звеньев на более простые системы оказался вполне оправданным. Как показали результаты выполненных исследований, такой подход позволил не только дать общую сравнительно-феноменологическую характеристику поведения интересующих нас радиоизотопов в системах различной сложности, но и вскрыть в отдельных случаях конкретные физико-химические механизмы, регулирующие подвижность радиоизотопов в этих системах.
Проведенные исследования подтвердили, что вопросы миграции и распределения радиоизотопов по компонентам биогеоценозов тесно связаны с другой весьма важной задачей радиоэкологии — изучением биологического действия радиоактивных веществ и их излучений.
Следует признать, что изложенные нами данные о сравнительной радиочувствительности разных видов живых организмов в зависимости от ряда сопутствующих факторов, хотя и дают некоторое представление о наиболее уязвимых звеньях естественных биогеоценозов в случае их облучения, тем не менее, для составления научно-обоснованных прогнозов возможных последствий радиоактивного загрязнения конкретных биогеоценозов имеющихся данных недостаточно. В связи с этим необходимо постоянно вовлекать в сферу радиоэкологических исследований все новые биологические объекты, изучая их радиочувствительность с учетом стадии развития, физиологического состояния, изменений факторов внешней среды и режима облучения. Поскольку основными формами существования живых организмов в естественной среде обитания являются популяция и биоценоз, наряду с изучением радиочувствительности на организменном уровне, необходимо всемерно развивать работы по изучению радиочувствительности отдельных видов на популяционном и биоценотическом уровнях. Критериями радиочувствительности в таких исследованиях могут служить численность популяции, ее возрастная структура, воспроизводительная способность и смертность отдельных видов, биомасса, перестройки в составе и структуре сообществ и другие параметры, используемые при описании биологических систем на уровне популяций и биоценозов.
В естественных условиях действие ионизирующих излучений на организмы сочетается с влиянием других экологических факторов. При этом в случаях, когда действие ионизирующей радиации проявляется на фоне неблагоприятных факторов среды, радиочувствительность организмов, как правило, возрастает. В свою очередь любое лучевое поражение снижает устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды. Известно, что ослабленные облучением организмы снижают свою сопротивляемость различного рода инфекциям, паразитам, насекомым вредителям, хищникам и т. п. Кроме того, как было показано в настоящей работе, под влиянием радиоционного фактора за счет вторичных изменений в составе и структуре перенаселенных сообществ могут наблюдаться явления псевдорадиоугнетения отдельных видов при стимулирующих дозах облучения и явления псевдорадиостимуляции — при весьма высоких дозах лучевого воздействия. Изучению комбинированного действия ионизирующей радиации и других факторов внешней среды, количественной оценке значения отдельных факторов в лучевом поражении организмов должно уделяться в радиоэкологических исследованиях все большее внимание.
Конечной задачей радиоэкологии является создание общей теории миграции и биологического действия радиоактивных веществ в различных биогеоценозах. В основе этой теории должны лежать современные представления о структуре и функционировании биологических макросистем, характеризующихся большим числом взаимодействующих факторов. На пути решения этой сложной задачи стоит немало трудностей, успешному преодолению которых, как нам представляется, в дальнейшем будет способствовать использование в радиоэкологических исследованиях аналоговых счетно-решающих устройств, моделирующих функционирование биогеоценозов.