Russian Federation
Russian Federation
The peatlands of the Arctic territories are repositories of radioactive contaminations. The physicochemical properties, specific activity and features of vertical migration of 90Sr in the peat profile of the Murmansk region have been studied. A correlation matrix was compiled according to the studied indicators. The factor that determines the localization of 90Sr in peat has been established. The sources of isotope for the region were determined. The reaction of the peat medium is acidic (4.2 ≤ pHwater ≤ 4.9; 3.6 ≤ pHsalt ≤ 4.1). The ash content of peat is medium and high (5.2 % ≤ Ash ≤ 28 %). The share of organic matter in the peat profile is more than 70 %. The upper part of the profile is saline (soluble salts>0.3%). The share of carbonates in the peat profile is insignificant (0.42–0.83 %). 90Sr activity (0.55–7.7 Bq/kg) was recorded in each peat sample. The activity of the technogenic radionuclide is below the established permissible norm and within the range typical for all Russian soils. The 90Sr isotope is localized in the upper layers of the profile and at a depth of more than 16 cm. The localization of 90Sr in peat layers is due to the content of water-soluble salts (r = 0.85). The main sources of the isotope for the Murmansk region are past global fallout from nuclear tests, the Chernobyl accident and current local fallout from nuclear fuel facilities.
peat bog, physical and chemical properties, strontium-90 (90Sr), vertical migration, Murmansk region
Введение
Арктические территории, к которым относится Мурманская область, при освоении атомной энергии подверглись существенному воздействию техногенной радиоактивности в результате глобальных и локальных ядерных испытаний, поступлений в арктические моря техногенных радионуклидов от западноевропейских радиохимических заводов Великобритании и Франции, чернобыльской катастрофы [10].
Торфяные отложения являются ценным объектом для долговременной ретроспективной оценки радиационной обстановки [11]. В Мурманской области болота занимают значительную площадь (~ 3048,9 тыс. га) [7]. Наиболее развиты аапа-болота, залегающие в сильно обводненных местах и получающие водно-минеральное питание за счет атмосферных осадков, подземных вод и поверхностного стока с прилегающих территорий. При питании торфяники аапа-болот депонируют загрязнители и представляют собой их хранилище, в том числе радиоактивных изотопов как прошлых, так и текущих загрязнений, создавая опасность для биоты и человека. Источниками текущих радионуклидов на данной территории могут быть объекты ядерно-топливного комплекса, атомного ледокольного флота, Северного флота России [10].
В настоящее время сведения об уровне загрязнения торфяников арктических территорий техногенным изотопом 90Sr отсутствуют. В связи с этим цель данного исследования — выявить уровень активности и особенности вертикальной миграции 90Sr в профиле торфяника, отобранного на территории Мурманской области.
Объекты и методы
Объектом исследования являлись торфяные отложения Мурманской области. Место взятия торфяной колонки — в 12 км юго-восточнее города Мурманска (координаты точки взятия колонки: N68.87057°, E33.19594°). Шифр колонки — ТМ-1, глубина — 36 см. Торфяную колонку отбирали согласно государственному стандарту [5] в летний период 2019 года. После отбора колонка торфа была разделена на 17 слоев (интервал деления 2 см за исключением двух верхних горизонтов 0–3.5 см и 3.5–6.0 см).
В лабораторных условиях в каждом слое торфа были определены физико-химические свойства: актуальная (pHwater) и обменная (pHsalt) кислотность; зольность (Аsh); массовая доля органического вещества (Organic Matter); содержание водорастворимых солей (Soluble salts); массовая доля карбонатов (СО32-) и удельная активность радионуклида 90Sr согласно государственным стандартам и актуальным методикам [1–4, 6].
Актуальную и обменную кислотность определяли потенциометрическим методом [3] в водной и солевой (раствор КСl с концентрацией 1 моль/дм3) вытяжках. Значение pH измеряли на анализаторе жидкостей «Эксперт 001-3» с применением комбинированного стеклянного электрода ЭСК-10603.
Путем прокаливания сухих проб торфа получали зольные остатки (200 °C ≤ t ≤ 525 °C), потери (525 °C ≤ t ≤ 900 °C). Определение зольности, массовой доли карбонатов проводили гравиметрическим методом. Массовую долю органического вещества определяли расчетным методом, учитывая зольность [2, 4].
Водорастворимые соли из торфа извлекали дистиллированной водой. Почвенную суспензию фильтровали. Фильтрат выпаривали на водяной бане, плотный остаток водной вытяжки сушили при 105 °С. Содержание водорастворимых солей определяли гравиметрическим методом [1].
Для определения зольности, массовой доли органического вещества, содержания водорастворимых солей, массовой доли карбонатов применяли сушильный шкаф Memmert UF75plus, муфельную печь ЭКПС-10 и аналитические весы ВЛ-224В.
Удельную активность радионуклида определяли бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой [6]. Методика основана на измерении бета-излучения счетного образца, содержащего селективно выделенный из пробы иттрий-90 (90Y), являющийся дочерним продуктом распада стронция-90 и находящийся с ним в радиоактивном равновесии в пробе, и расчете удельной активности 90Y (90Sr) в пробе. Радиохимический выход иттрия-90 контролировали весовым методом при добавлении в пробу определенного количества стабильного иттрия. Мешающее влияние радионуклидов с энергиями бета-частиц, близкими к энергии бета-излучения иттрия-90, устраняли радиохимическим способом при двойном осаждении оксалатов и хроматографическом отделении иттрия-90. Готовый осадок переносили в предварительно взвешенную подложку радиометра. Измерение счетных образцов выполнялось с применением альфа-бета-радиометра РСК-01А «Абелия».
Результаты и обсуждение
Характеристика физико-химических свойств торфяника. Актуальная кислотность, связанная с содержанием свободных H+ и OH- в почвенном растворе, и обменная, связанная с содержанием Н+ и Al3+ в почвенном поглощающем комплексе, находятся в пределах значений 4.2–4.9 и 3.6–4.1 соответственно. Почвенный раствор и твердая фаза исследуемого торфа имеют кислую реакцию среды. С глубиной профиля кислотность уменьшается (рис. 1).
Профиль представляет собой высокозольный и среднезольный торф (5.2 % ≤ Аsh ≤ 28 %), (рис. 1). Повышенная зольность (Аsh > 10 %), обусловленная наличием песка, глины и минеральными веществами, характерна для верхних (1, 4–7 слоев) и нижнего слоя; средняя зольность (5.0 % < Аsh < 10 %) — для 2–3, 8–16 слоев.
Доля органического вещества, основного компонента торфяника, находится в интервале от 72 до 95 % (рис. 1). Максимальное значение показателя наблюдается в слое 20–22 см.
Содержание водорастворимых солей варьирует в диапазоне 1.0–9.8 мг/г (рис. 1). Верхние слои торфяника (глубина менее 17 см) имеют слабую и среднюю степени засоленности (количество водорастворимых солей более 0.3 %), что, возможно, обусловлено длительным и постоянным избыточным увлажнением. На глубине 17 см и более засоленность отсутствует (количество водорастворимых солей составляет менее 0.3 %). Торфяник по глубине залегания водорастворимых солей характеризуется как солончаковый.
Массовая доля карбонатов составляет 0.42–0.83 %. В слое 10–12 см наблюдается максимальное значение показателя, возможно обусловленное выщелачиванием из верхних слоев. Массовая доля карбонатов с глубиной профиля снижается (рис. 1).
Для физико-химических свойств торфа наблюдаются значимые корреляционные связи (рис. 3): прямые — pHwater – pHsalt (r = 0.94), Ash – (CO32-) (r = 0.77); обратные — pHwater – (CO32-) (r = –0.55), pHsalt – (CO32-) (r = –0.50), pHsalt – Soluble salts (r = –0.61), Ash – Organic Matter (r = –1.0), Organic Matter – (CO32-) (r = –0.77).
Удельная активность радионуклида 90Sr. Во всех пробах торфяного профиля наблюдается присутствие радионуклида (рис. 2). Удельная активность 90Sr находится в интервале 0.55–7.7 Бк/кг (типичный интервал для всех почв России 0.80–8.6 Бк/кг). Среднее значение составляет 1.8 ± 0.02 Бк/кг, что не превышает установленный минимально значимый норматив [8] и ниже среднего параметра для всех почв России (4.7 Бк/кг). Наибольшая удельная активность 90Sr фиксируется в верхней части профиля до глубины 8–10 см, максимум активности (7.7 Бк/кг) отмечается в самом верхнем слое 0–3.5 см, что, возможно, обусловлено поступлением радионуклида при текущих локальных выпадениях от объектов ядерно-топливного комплекса и его биогенным накоплением. Удельная активность 90Sr в снеге, выпавшем в 2018–2019 годах в Мурманской области, составляет 0.30–0.40 Бк/л [7].
Радионуклид неравномерно распределяется по всему торфяному профилю (рис. 2). Ниже глубины 10 см наблюдается три пика активности радионуклида. Пик на глубине 16–18 см, вероятно, связан с аварией на Чернобыльской АЭС (1986 год), а более глубокие (20–22 см и 30–32 см), возможно, свидетельствуют о прошлых глобальных выпадениях в результате ядерных испытаний до 1963 года.
Содержание водорастворимых солей играет важную роль в накоплении радионуклида (r = 0.85), (рис. 3). Sr является щелочно-земельным элементом, и по своим химическим свойствам Sr2+ подобен NH4+, K+, Na+, карбонаты и фосфаты которых растворимы в воде и обусловливают присутствие анионов СО32-, РО43-,
увеличивающих поглощение (адсорбцию) Sr2+ [9].
Выводы
На основании полученных результатов можно отметить отличительное физико-химическое свойство торфяного профиля Мурманской области — засоленность, связанную с условиями формирования торфа. Одновременно установлено, что засоленные слои торфа являются накопителями 90Sr. Удельная активность 90Sr находится в рамках интервала, типичного для всех почв России. Среднее значение удельной активности 90Sr ниже установленного минимально значимого норматива [8] и среднего параметра для всех почв России. Радионуклид в основном локализуется в самом верхнем слое и неравномерно мигрирует вниз по профилю. Вертикальный миграционный путь 90Sr показал, что основными его источниками для региона являются прошлые глобальные выпадения из-за ядерных испытаний, чернобыльской аварии и текущие локальные выпадения на объектах ядерно-топливного комплекса.
1. GOST 26423-85. Pochvy. Metody opredeleniya udel'noy elektricheskoy provodimosti, rN i plotnogo ostatka vodnoy vytyazhki (Soils. Methods for determining the specific electrical conductivity, pH and dense residue of aqueous extract). Moscow: Standartinform, 2011, 7 p.
2. GOST 27784-88. Pochvy. Metod opredeleniya zol'nosti torfyanykh i otorfovannykh gorizontov pochv. (Soils. Method for determining the ash content of peat and peaty soil horizons). Moscow: Publishing house of standards, 1988, 6 p.
3. GOST 11623-89. Torf i produkty yego pererabotki dlya sel'skogo khozyaystva. Metody opredeleniya obmennoy i aktivnoy kislotnosti (Peat and products of its processing for agriculture. Methods for determining exchange and active acidity). Moscow: Publishing house of standards, 1990, 5 p.
4. GOST 26213-91. Pochvy. Metody opredeleniya organicheskogo veshchestva (Soils. Methods for determining organic matter). Moscow: Publishing House of Standards, 1992, 6 p.
5. GOST 17.4.3.01-2017. Okhrana prirody. Pochvy. Obshchiye trebovaniya k otboru prob (Protection of Nature. Soils. General requirements for sampling). Moscow: Standartinform, 2018, 8 p.
6. Metodika izmereniy udel'noy aktivnosti strontsiya-90 (90Sr) v probakh pochv, gruntov, donnykh otlozheniy i gornykh porod beta-radiometricheskim metodom s radiokhimicheskoy podgotovkoy (Methods for measuring the specific activity of strontium-90 (90Sr) in samples of soils, grounds, bottom sediments and rocks by the beta-radiometric method with radiochemical preparation). Moscow: VIMS, 2013, 19 p.
7. Doklad «O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchey sredy Murmanskoy oblasti v 2020 godu» (Report «On the state and protection of the environment of the Murmansk region in 2020»). URL: https://gov-murman.ru/region/environmentstate (date of access: 03.04.2022)
8. Postanovleniye glavnogo gosudarstvennogo sanitarnogo vracha Rossiyskoy Federatsii ot 07.07.2009 № 47 «Ob utverzhdenii SanPiN 2.6.1.2523-09 «Normy radiatsionnoy bezopasnosti (NRB-99/2009)» (Resolution of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation dated 07.07.2009 № 47 "On the approval of SanPiN 2.6.1.2523-09" Standards of radiation safety (NRB-99/2009)"). URL: https://docs.cntd.ru/document/902170553 (request date 01.04.2022).
9. Putilina V. S., Galitskaya I. V., Yuganova T. I. Sorbtsionnyye protsessy pri zagryaznenii podzemnykh vod tyazhelymi metallami i radioaktivnymi elementami. Strontsiy. Analiticheskiy obzor (Sorption processes in groundwater pollution with heavy metals and radioactive elements. Strontium. Analytical review). Novosibirsk: SB RAS, 2013, 95 p.
10. Telelekova A. D., Evseev A. V. Radionuklidy v prirodnoy srede Kol'skogo poluostrova. Evolyutsiya i dinamika geosistem (Radionuclides in the natural environment of the Kola Peninsula. Evolution and dynamics of geosystems), 2014, № 5, pp. 89-94.
11. Yakovlev E. Yu., Orlov A. S., Ocheretenko A. A., Druzhinin S. V., Druzhinina A. S. Radionuklidy atmosfernykh vypadeniy v torfyano-bolotnykh ekosistemakh Yevropeyskoy subarktiki Rossii. Zapadno-Sibirskiye torfyaniki i tsikl ugleroda: proshloye i nastoyashcheye (Radionuclides of atmospheric fallout in peat-bog ecosystems of the European subarctic of Russia. West Siberian peatlands and the carbon cycle: past and present). Proceedings of the Sixth International Field Symposium. Tomsk, 2021, pp. 214-216.
